Analisis Del Flameo Inverso

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIER˝A MEC`NICA Y ELCTRICA UNIDAD ZACATENCO AN`LISIS DEL FLAMEO INVERSO EN L˝NEAS DE TRANSMISIN DE 400 kV UTILIZANDO EL ATP TESIS QUE PARA OBTENER EL T˝TULO DE INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTAN: GUTIRREZ VALLE MART˝N MART˝NEZ PREZ PEDRO ASESOR: ING. GUILLERMO BASILIO RODR˝GUEZ MEXICO D.F. 2007

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INSTITUTO POLITEacuteCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIacuteA

MECAacuteNICA Y ELEacuteCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

ANAacuteLISIS DEL FLAMEO INVERSO EN LIacuteNEAS DE

TRANSMISIOacuteN DE 400 kV UTILIZANDO EL ATP

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TIacuteTULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN

GUTIEacuteRREZ VALLE MARTIacuteN

MARTIacuteNEZ PEacuteREZ PEDRO

ASESOR ING GUILLERMO BASILIO RODRIacuteGUEZ

MEXICO DF 2007

DEDICATORIA

La presente tesis se la dedico a mi familia que gracias a sus consejos y palabras de aliento creciacute como persona A mis padres y hermano por su apoyo confianza y amor Gracias por ayudarme a cumplir mis objetivos como persona y estudiante A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyaacutendome y aconsejaacutendome siempre sin importar nada maacutes que mi bienestar A mi madre por hacer de mi una mejor persona a traveacutes de sus consejos ensentildeanzas y amor incondicionales que valoro maacutes de lo que puacuteedo demostrar A mi hermano por estar siempre presente brindaacutendome aliento cuando veiacutea decaer mi aacutenimo

AGRADECIMIENTOS

Gacias a Dios Por permitirme llegar hasta este momento y lograr otra meta maacutes en mi carrera y entrar en otra etapa de mi vida

Gracias a mis padres Mariacutea de Jesuacutes y Jose de Jesuacutes Por su carintildeo comprensioacuten y apoyo sin condiciones ni medida Gracias por guiarme sobre el camino de la educacioacuten

Gracias a mi hermano Juan Carlos Por tus comentarios sugerencias y opiniones que aunque no estaba de acuerdo en todos de una o de otra manera me ayudaron a mejorar como persona Ademaacutes de ser un buen amigo eres la mejor compantildeia para compartir el mismo techo

Gracias a mi abuelita Aurora

Por encomendarme siempre con Dios para que saliera adelante y darme palabras de aliento durante toda mi formacioacuten profesional

Gracias a mis asesores Guillermo Basilio Rodriacuteguez y Juan Abugaber Francis

Por formar parte de mi grupo de trabajo Sus consejos paciencia y opiniones sirvieron para que me sienta satisfecho con el resultado de este proyecto de investigacioacuten

Gracias a cada uno de los profesores de la Escuela Superior de Ingenieriacutea Mecaacutenica y Eleacutectrica

(ESIME) Que participaron en mi desarrollo profesional durante mi carrera sin su ayuda y conocimientos este trabajo nunca hubiera sido posible

Gracias a mi amigo Emmanuel Cruz Garrido

Que estuvo conmigo tanto en las buenas como en las malas brindandome su apoyo cuando maacutes lo necesite

A todos aquellos que formaron parte de mi vida durante mi preparaciacuteoacuten ya que la convivencia con cada uno de ustedes me dejoacute una gran ensentildeanza y muchas lecciones aprendidas

Pedro Martiacutenez Peacuterez A Dios

por ser quien ha estado a mi lado en todo momento daacutendome las fuerzas necesarias para continuar luchando diacutea tras diacutea y seguir adelante

rompiendo todas las barreras que se me presenten

A mis padres por su ejemplo

a ustedes les debo todo lo que hoy soy

A mis hermanos

por su alegriacutea y su incondicional apoyo

A mis profesores por su ejemplo de profesionalidad que nunca he olvidado

A mis amigos

por brindarme su amistad incondicional y por su apoyo en las buenas y en las malas

A todas las personas que de alguna u otra forma me tendieron su mano para culminar mis estudios y lograr este objetivo

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONTENIDO NOMENCLATURA

OBJETIVO

INTRODUCCIOacuteN

JUSTIFICACIOacuteN

CAPITULO I GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS ELEacuteCTRICOS

DE POTENCIA

11 Antecedentes histoacutericos

12 Torres de transmisioacuten

13 Liacuteneas de transmisioacuten

14 Sistemas de proteccioacuten

15 Sobretensiones

16 Flameo inverso

CAPITULO II SOBRETENSIONES

21 Tipos de sobretensiones

211 Sobretensiones del tipo externo

212 Sobretensiones del tipo internas

22 Descargas atmosfeacutericas

221 La formacioacuten del rayo

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

2223 Teoriacutea de Willson

2224 Teoriacutea de Simpson

CAPITULO III ALTERNATIVAS DE CORRECCION Y ANALISIS DEL

FLAMEO INVERSO 31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

311 Hilo de guarda

312 Puesta a tierra

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

3122 Componentes del sistema de tierras

9

10

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ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back Flashover)

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

322 Conexioacuten por medio de varillas

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

CAPITULO IV SIMULACIOacuteN Y RESULTADOS

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

42 Datos y graficas de las correspondientes simulaciones

421 Datos de la primera simulacioacuten

422 Datos de la segunda simulacioacuten

423 Datos de la tercera simulacioacuten

424 Datos de la cuarta simulacioacuten

425 Datos de la quinta simulacioacuten

426 Datos de la sexta simulacioacuten

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto en el

sistema de tierra como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

4311 Interpretacion de resultados

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

4331 Interpretacioacuten de resultados

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

4341 Interpretacion de Resultados

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

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ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

NOMENCLATURA

ATP Alternative Transient Program

EMTP Electro Magnetic Transient Program

ACSR Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel

Reinforced)

IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional

SIMBOLOGIacuteA

E gradiente eleacutectrico

k Kilo

A Ampere

V Volt

W watt

m metro

cm centiacutemetro

M Megas

s segundo

min minuto

g gramo

c a Corriente alterna

Hz Hertz

C Coulomb

C Factor de acoplamiento

H Henry

L Inductancia oC grados centiacutegrados o Grados

m mili

micro micro

Ugrave ohm

ntilde resistividad del terreno

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

OBJETIVO Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexioacuten a Tierra ante el fenoacutemeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program)

OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva en Liacuteneas de Transmisioacuten de 400 kV

Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexioacuten a Tierras para observar el comportamiento de la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de aisladores empleando el ATP-EMTP

Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexioacuten a tierra debe ser el

menor posible para evitar que exista el fenoacutemeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 2: Analisis Del Flameo Inverso

DEDICATORIA

La presente tesis se la dedico a mi familia que gracias a sus consejos y palabras de aliento creciacute como persona A mis padres y hermano por su apoyo confianza y amor Gracias por ayudarme a cumplir mis objetivos como persona y estudiante A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyaacutendome y aconsejaacutendome siempre sin importar nada maacutes que mi bienestar A mi madre por hacer de mi una mejor persona a traveacutes de sus consejos ensentildeanzas y amor incondicionales que valoro maacutes de lo que puacuteedo demostrar A mi hermano por estar siempre presente brindaacutendome aliento cuando veiacutea decaer mi aacutenimo

AGRADECIMIENTOS

Gacias a Dios Por permitirme llegar hasta este momento y lograr otra meta maacutes en mi carrera y entrar en otra etapa de mi vida

Gracias a mis padres Mariacutea de Jesuacutes y Jose de Jesuacutes Por su carintildeo comprensioacuten y apoyo sin condiciones ni medida Gracias por guiarme sobre el camino de la educacioacuten

Gracias a mi hermano Juan Carlos Por tus comentarios sugerencias y opiniones que aunque no estaba de acuerdo en todos de una o de otra manera me ayudaron a mejorar como persona Ademaacutes de ser un buen amigo eres la mejor compantildeia para compartir el mismo techo

Gracias a mi abuelita Aurora

Por encomendarme siempre con Dios para que saliera adelante y darme palabras de aliento durante toda mi formacioacuten profesional

Gracias a mis asesores Guillermo Basilio Rodriacuteguez y Juan Abugaber Francis

Por formar parte de mi grupo de trabajo Sus consejos paciencia y opiniones sirvieron para que me sienta satisfecho con el resultado de este proyecto de investigacioacuten

Gracias a cada uno de los profesores de la Escuela Superior de Ingenieriacutea Mecaacutenica y Eleacutectrica

(ESIME) Que participaron en mi desarrollo profesional durante mi carrera sin su ayuda y conocimientos este trabajo nunca hubiera sido posible

Gracias a mi amigo Emmanuel Cruz Garrido

Que estuvo conmigo tanto en las buenas como en las malas brindandome su apoyo cuando maacutes lo necesite

A todos aquellos que formaron parte de mi vida durante mi preparaciacuteoacuten ya que la convivencia con cada uno de ustedes me dejoacute una gran ensentildeanza y muchas lecciones aprendidas

Pedro Martiacutenez Peacuterez A Dios

por ser quien ha estado a mi lado en todo momento daacutendome las fuerzas necesarias para continuar luchando diacutea tras diacutea y seguir adelante

rompiendo todas las barreras que se me presenten

A mis padres por su ejemplo

a ustedes les debo todo lo que hoy soy

A mis hermanos

por su alegriacutea y su incondicional apoyo

A mis profesores por su ejemplo de profesionalidad que nunca he olvidado

A mis amigos

por brindarme su amistad incondicional y por su apoyo en las buenas y en las malas

A todas las personas que de alguna u otra forma me tendieron su mano para culminar mis estudios y lograr este objetivo

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONTENIDO NOMENCLATURA

OBJETIVO

INTRODUCCIOacuteN

JUSTIFICACIOacuteN

CAPITULO I GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS ELEacuteCTRICOS

DE POTENCIA

11 Antecedentes histoacutericos

12 Torres de transmisioacuten

13 Liacuteneas de transmisioacuten

14 Sistemas de proteccioacuten

15 Sobretensiones

16 Flameo inverso

CAPITULO II SOBRETENSIONES

21 Tipos de sobretensiones

211 Sobretensiones del tipo externo

212 Sobretensiones del tipo internas

22 Descargas atmosfeacutericas

221 La formacioacuten del rayo

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

2223 Teoriacutea de Willson

2224 Teoriacutea de Simpson

CAPITULO III ALTERNATIVAS DE CORRECCION Y ANALISIS DEL

FLAMEO INVERSO 31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

311 Hilo de guarda

312 Puesta a tierra

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

3122 Componentes del sistema de tierras

9

10

13

14

17

20

23

23

25

26

27

28

29

30

31

32

35

36

38

38

39

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back Flashover)

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

322 Conexioacuten por medio de varillas

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

CAPITULO IV SIMULACIOacuteN Y RESULTADOS

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

42 Datos y graficas de las correspondientes simulaciones

421 Datos de la primera simulacioacuten

422 Datos de la segunda simulacioacuten

423 Datos de la tercera simulacioacuten

424 Datos de la cuarta simulacioacuten

425 Datos de la quinta simulacioacuten

426 Datos de la sexta simulacioacuten

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto en el

sistema de tierra como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

4311 Interpretacion de resultados

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

4331 Interpretacioacuten de resultados

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

4341 Interpretacion de Resultados

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

39

43

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50

51

52

54

55

56

57

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62

62

63

63

64

64

65

65

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

NOMENCLATURA

ATP Alternative Transient Program

EMTP Electro Magnetic Transient Program

ACSR Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel

Reinforced)

IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional

SIMBOLOGIacuteA

E gradiente eleacutectrico

k Kilo

A Ampere

V Volt

W watt

m metro

cm centiacutemetro

M Megas

s segundo

min minuto

g gramo

c a Corriente alterna

Hz Hertz

C Coulomb

C Factor de acoplamiento

H Henry

L Inductancia oC grados centiacutegrados o Grados

m mili

micro micro

Ugrave ohm

ntilde resistividad del terreno

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

OBJETIVO Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexioacuten a Tierra ante el fenoacutemeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program)

OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva en Liacuteneas de Transmisioacuten de 400 kV

Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexioacuten a Tierras para observar el comportamiento de la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de aisladores empleando el ATP-EMTP

Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexioacuten a tierra debe ser el

menor posible para evitar que exista el fenoacutemeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 3: Analisis Del Flameo Inverso

Pedro Martiacutenez Peacuterez A Dios

por ser quien ha estado a mi lado en todo momento daacutendome las fuerzas necesarias para continuar luchando diacutea tras diacutea y seguir adelante

rompiendo todas las barreras que se me presenten

A mis padres por su ejemplo

a ustedes les debo todo lo que hoy soy

A mis hermanos

por su alegriacutea y su incondicional apoyo

A mis profesores por su ejemplo de profesionalidad que nunca he olvidado

A mis amigos

por brindarme su amistad incondicional y por su apoyo en las buenas y en las malas

A todas las personas que de alguna u otra forma me tendieron su mano para culminar mis estudios y lograr este objetivo

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONTENIDO NOMENCLATURA

OBJETIVO

INTRODUCCIOacuteN

JUSTIFICACIOacuteN

CAPITULO I GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS ELEacuteCTRICOS

DE POTENCIA

11 Antecedentes histoacutericos

12 Torres de transmisioacuten

13 Liacuteneas de transmisioacuten

14 Sistemas de proteccioacuten

15 Sobretensiones

16 Flameo inverso

CAPITULO II SOBRETENSIONES

21 Tipos de sobretensiones

211 Sobretensiones del tipo externo

212 Sobretensiones del tipo internas

22 Descargas atmosfeacutericas

221 La formacioacuten del rayo

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

2223 Teoriacutea de Willson

2224 Teoriacutea de Simpson

CAPITULO III ALTERNATIVAS DE CORRECCION Y ANALISIS DEL

FLAMEO INVERSO 31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

311 Hilo de guarda

312 Puesta a tierra

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

3122 Componentes del sistema de tierras

9

10

13

14

17

20

23

23

25

26

27

28

29

30

31

32

35

36

38

38

39

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back Flashover)

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

322 Conexioacuten por medio de varillas

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

CAPITULO IV SIMULACIOacuteN Y RESULTADOS

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

42 Datos y graficas de las correspondientes simulaciones

421 Datos de la primera simulacioacuten

422 Datos de la segunda simulacioacuten

423 Datos de la tercera simulacioacuten

424 Datos de la cuarta simulacioacuten

425 Datos de la quinta simulacioacuten

426 Datos de la sexta simulacioacuten

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto en el

sistema de tierra como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

4311 Interpretacion de resultados

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

4331 Interpretacioacuten de resultados

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

4341 Interpretacion de Resultados

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

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43

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50

51

52

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62

62

63

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64

65

65

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

NOMENCLATURA

ATP Alternative Transient Program

EMTP Electro Magnetic Transient Program

ACSR Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel

Reinforced)

IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional

SIMBOLOGIacuteA

E gradiente eleacutectrico

k Kilo

A Ampere

V Volt

W watt

m metro

cm centiacutemetro

M Megas

s segundo

min minuto

g gramo

c a Corriente alterna

Hz Hertz

C Coulomb

C Factor de acoplamiento

H Henry

L Inductancia oC grados centiacutegrados o Grados

m mili

micro micro

Ugrave ohm

ntilde resistividad del terreno

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

OBJETIVO Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexioacuten a Tierra ante el fenoacutemeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program)

OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva en Liacuteneas de Transmisioacuten de 400 kV

Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexioacuten a Tierras para observar el comportamiento de la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de aisladores empleando el ATP-EMTP

Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexioacuten a tierra debe ser el

menor posible para evitar que exista el fenoacutemeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 4: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONTENIDO NOMENCLATURA

OBJETIVO

INTRODUCCIOacuteN

JUSTIFICACIOacuteN

CAPITULO I GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS ELEacuteCTRICOS

DE POTENCIA

11 Antecedentes histoacutericos

12 Torres de transmisioacuten

13 Liacuteneas de transmisioacuten

14 Sistemas de proteccioacuten

15 Sobretensiones

16 Flameo inverso

CAPITULO II SOBRETENSIONES

21 Tipos de sobretensiones

211 Sobretensiones del tipo externo

212 Sobretensiones del tipo internas

22 Descargas atmosfeacutericas

221 La formacioacuten del rayo

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

2223 Teoriacutea de Willson

2224 Teoriacutea de Simpson

CAPITULO III ALTERNATIVAS DE CORRECCION Y ANALISIS DEL

FLAMEO INVERSO 31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

311 Hilo de guarda

312 Puesta a tierra

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

3122 Componentes del sistema de tierras

9

10

13

14

17

20

23

23

25

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27

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39

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back Flashover)

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

322 Conexioacuten por medio de varillas

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

CAPITULO IV SIMULACIOacuteN Y RESULTADOS

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

42 Datos y graficas de las correspondientes simulaciones

421 Datos de la primera simulacioacuten

422 Datos de la segunda simulacioacuten

423 Datos de la tercera simulacioacuten

424 Datos de la cuarta simulacioacuten

425 Datos de la quinta simulacioacuten

426 Datos de la sexta simulacioacuten

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto en el

sistema de tierra como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

4311 Interpretacion de resultados

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

4331 Interpretacioacuten de resultados

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

4341 Interpretacion de Resultados

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

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43

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65

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ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

NOMENCLATURA

ATP Alternative Transient Program

EMTP Electro Magnetic Transient Program

ACSR Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel

Reinforced)

IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional

SIMBOLOGIacuteA

E gradiente eleacutectrico

k Kilo

A Ampere

V Volt

W watt

m metro

cm centiacutemetro

M Megas

s segundo

min minuto

g gramo

c a Corriente alterna

Hz Hertz

C Coulomb

C Factor de acoplamiento

H Henry

L Inductancia oC grados centiacutegrados o Grados

m mili

micro micro

Ugrave ohm

ntilde resistividad del terreno

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

OBJETIVO Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexioacuten a Tierra ante el fenoacutemeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program)

OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva en Liacuteneas de Transmisioacuten de 400 kV

Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexioacuten a Tierras para observar el comportamiento de la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de aisladores empleando el ATP-EMTP

Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexioacuten a tierra debe ser el

menor posible para evitar que exista el fenoacutemeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 5: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back Flashover)

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

322 Conexioacuten por medio de varillas

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

CAPITULO IV SIMULACIOacuteN Y RESULTADOS

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

42 Datos y graficas de las correspondientes simulaciones

421 Datos de la primera simulacioacuten

422 Datos de la segunda simulacioacuten

423 Datos de la tercera simulacioacuten

424 Datos de la cuarta simulacioacuten

425 Datos de la quinta simulacioacuten

426 Datos de la sexta simulacioacuten

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto en el

sistema de tierra como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

4311 Interpretacion de resultados

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

4331 Interpretacioacuten de resultados

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

4341 Interpretacion de Resultados

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

39

43

45

50

51

52

54

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56

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58

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62

62

63

63

64

64

65

65

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

NOMENCLATURA

ATP Alternative Transient Program

EMTP Electro Magnetic Transient Program

ACSR Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel

Reinforced)

IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional

SIMBOLOGIacuteA

E gradiente eleacutectrico

k Kilo

A Ampere

V Volt

W watt

m metro

cm centiacutemetro

M Megas

s segundo

min minuto

g gramo

c a Corriente alterna

Hz Hertz

C Coulomb

C Factor de acoplamiento

H Henry

L Inductancia oC grados centiacutegrados o Grados

m mili

micro micro

Ugrave ohm

ntilde resistividad del terreno

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

OBJETIVO Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexioacuten a Tierra ante el fenoacutemeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program)

OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva en Liacuteneas de Transmisioacuten de 400 kV

Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexioacuten a Tierras para observar el comportamiento de la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de aisladores empleando el ATP-EMTP

Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexioacuten a tierra debe ser el

menor posible para evitar que exista el fenoacutemeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 6: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

NOMENCLATURA

ATP Alternative Transient Program

EMTP Electro Magnetic Transient Program

ACSR Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel

Reinforced)

IEC Comisioacuten Electroteacutecnica Internacional

SIMBOLOGIacuteA

E gradiente eleacutectrico

k Kilo

A Ampere

V Volt

W watt

m metro

cm centiacutemetro

M Megas

s segundo

min minuto

g gramo

c a Corriente alterna

Hz Hertz

C Coulomb

C Factor de acoplamiento

H Henry

L Inductancia oC grados centiacutegrados o Grados

m mili

micro micro

Ugrave ohm

ntilde resistividad del terreno

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

OBJETIVO Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexioacuten a Tierra ante el fenoacutemeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program)

OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva en Liacuteneas de Transmisioacuten de 400 kV

Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexioacuten a Tierras para observar el comportamiento de la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de aisladores empleando el ATP-EMTP

Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexioacuten a tierra debe ser el

menor posible para evitar que exista el fenoacutemeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 7: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

OBJETIVO Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexioacuten a Tierra ante el fenoacutemeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program)

OBJETIVOS PARTICULARES

Analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva en Liacuteneas de Transmisioacuten de 400 kV

Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexioacuten a Tierras para observar el comportamiento de la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de aisladores empleando el ATP-EMTP

Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexioacuten a tierra debe ser el

menor posible para evitar que exista el fenoacutemeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

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Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 8: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

RESUMEN

Lo que se hizo en este trabajo fue recabar la informacioacuten necesaria para poder entender lo

que es el fenoacutemeno de la descarga retroactiva tambieacuten llamada Flameo Inverso la cual se

da en el momento en el que una descarga atmosfeacuterica (rayo) cae directamente en la torre de

transmisioacuten lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra el

cual si es bien disentildeado debe de ser capaz de dispersar la mayor parte de esta corriente En

caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre hasta llegar a la cadena de

aisladores provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos

puede llegar hasta los conductores de fase provocando una salida del sistema y dantildeos a las

instalaciones

Al entender lo que es la descarga retroactiva sus efectos y como se puede evitar por medio

del sistema de puesta a tierra se tratoacute de validar que los valores de resistencia del sistema

de tierra utilizadas por las compantildeiacuteas suministradoras en nuestro paiacutes sean de una

magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccioacuten alto en contra de este fenoacutemeno

entendiendo que por ser la descarga atmosfeacuterica un fenoacutemeno que no tiene una magnitud

constante en su corriente no se puede tener una proteccioacuten del 100 para nuestro sistema

Por medio del programa de simulacioacuten eleacutectrica ATP (Alternative Transients Program) se

simularon los efectos de la descarga atmosfeacuterica con un circuito equivalente de la torre y el

sistema de tierra en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una

probabilidad menor al 5 para que suceda y se hicieron pruebas para magnitudes de

resistencia de puesta a tierra de 0Ugrave 10Ugrave 50Ω Mediante las graacuteficas obtenidas y las

magnitudes calculadas para la corriente miacutenima de la descarga retroactiva se verificoacute si era

o no vaacutelido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la bateriacutea de pruebas

Se comproboacute de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado

por la compantildeiacutea suministradora en Meacutexico (10Ω oacute menor) protege de manera

satisfactoriamente para este valor de resistencia y dado la baja probabilidad que se tiene

para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor se puede decir que nuestro

sistema esta protegido para cerca del 98 de las descargas atmosfeacutericas que ocurran

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 9: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

INTRODUCCIOacuteN

Como se sabe las liacuteneas de transmisioacuten en Meacutexico son aeacutereas esto quiere decir que son vulnerables a los fenoacutemenos atmosfeacutericos que ocurran a lo largo de su trayectoria uno de estos fenoacutemenos es el llamado Descarga Retroactiva el cual se da cuando una descarga atmosfeacuterica cae directamente sobre una torre de transmisioacuten lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deberaacute de llegar al sistema de tierra de la torre

Si el sistema de tierra estaacute disentildeado de una manera correcta eacuteste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfeacuterica en caso contrario el sistema de tierra no seraacute capaz de diseminar eacutesta corriente lo cual haraacute que dicha corriente retorne por el camino que llegoacute es decir la torre

Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccioacuten ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100 por lo que la corriente de retorno tendraacute maacutes posibilidades de dantildearlo ademaacutes si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor a la corriente de rayo original el peligro de falla se hace mucho mayor

El uacutenico valor del que se puede tener control en la torre de transmisioacuten es el de la resistencia de puesta a tierra ya que los demaacutes paraacutemetros son constantes ya que son propias de la misma torre De ahiacute la importancia de que este sistema de proteccioacuten sea bien disentildeado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccioacuten oacuteptimo

Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tomoacute este tema para su estudio como se puede imaginar los uacutenicos con la autoridad para modificar este valor son las compantildeiacuteas suministradoras en Meacutexico de alliacute que solamente se verificaraacute que los valores recomendados por eacutestas compantildeiacuteas son vaacutelidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccioacuten

En este trabajo se incluyeron los conceptos baacutesicos necesarios para poder entender lo que es el fenoacutemeno del flameo inverso y su forma de tratarlo a continuacioacuten se expondraacute el desarrollo del trabajo en los capiacutetulos siguientes

CAPIacuteTULO I

En este capiacutetulo se explica lo que son las liacuteneas de transmisioacuten sus elementos y la importancia de los elementos del sistema de proteccioacuten asiacute como que es una descarga atmosfeacuterica y una pequentildea introduccioacuten de lo que es el fenoacutemeno de nuestro estudio es decir el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva)

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

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Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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2000

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Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 10: Analisis Del Flameo Inverso

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CAPIacuteTULO II

Aquiacute se explica lo que es una sobretensioacuten y los tipos de sobretensiones existentes pero se le da una mayor importancia a la sobretensioacuten producida por el efecto de la descarga atmosfeacuterica citando y explicando las teoriacuteas maacutes aceptadas para explicar este fenoacutemeno

CAPITULO III

Aquiacute se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologiacutea de estudio es decir coacutemo es que se puede estudiar por medio de una simulacioacuten y se dan algunos meacutetodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar eacuteste fenoacutemeno tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra

Dado que es la resistencia de tierra nuestro caso de estudio se dan todas las caracteriacutesticas necesarias que se deben de conocer acerca de eacutel asiacute como algunas maneras que existen de mejorarla asiacute como la forma en que se logra esta resistencia

CAPIacuteTULO IV

En este punto se encontraraacuten las simulaciones que se hicieron asiacute como las graacuteficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra como en la misma torre al retornar asiacute como los datos que se utilizaron para el caacutelculo de la corriente miacutenima para que se de la Descarga Retroactiva

A continuacioacuten se escribe una interpretacioacuten para cada uno de los diferentes tipos de graacuteficas que se obtuvieron

Y por uacuteltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio

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CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 11: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO I

GANERALIDADES DE

LOS SISTEMAS

ELEacuteCTRICOS DE

POTENCIA

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

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60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 12: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 9

11 Antecedentes histoacutericos

La primera liacutenea de transmisioacuten en nuestro paiacutes fue la de NecaxaMeacutexico que entroacute en servicio

en diciembre de 1905 con una capacidad de 60 kV que aumentoacute a 85 kV cinco antildeos despueacutes

Paralelo a este proyecto se desarrolloacute la liacutenea MeacutexicoEl oro con la misma capacidad

En un inicio las estructuras eran de fabricacioacuten extranjera a lo largo del siglo XX cada empresa

proponiacutea disentildeos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias Uno de los

principales proyectos desarrollados en aqueacutel entonces fue la construccioacuten del anillo de 230 kV

por la empresa Acero Ecatepec que se concluyoacute en 1969

Este proyecto satisfaciacutea y respaldaba las necesidades de energiacutea eleacutectrica rodeando la periferia

de la Ciudad de Meacutexico La falta de normalizacioacuten de las torres originoacute una gran variedad de

torres distintas en las liacuteneas de transmisioacuten existentes Algunas de las empresas que participaron

en la fabricacioacuten de torres fueron Macomber Bethlehm Made Siemens Schuckert y Aceros

Ecatepec

Fue hasta principios de la deacutecada de los setentas que Luz y Fuerza del Centro realizoacute los

primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacioacuten capaz de asumir las

necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos El primero de los pedidos de fabricacioacuten

se asignoacute al Taller de Estructuras Tacuba En la actualidad esta produccioacuten se concentra en la

Faacutebrica de Estructuras Xochinahuac Uno de sus primeros y principales trabajos fue la

construccioacuten del anillo de 400 kV que inicioacute su construccioacuten en 1974 y concluyoacute exitosamente

en 1985 Esta liacutenea circunda la periferia del aacuterea metropolitana de la ciudad de Meacutexico y funge

como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes

Debido al eacutexito obtenido por la fabricacioacuten de este tipo de estructuras dentro de la empresa fue

necesario crear un compendio de torres Este esfuerzo se concluyoacute en 1977 que incluiacutea las torres

existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingenieriacutea Civil

En la actualidad debido a requerimientos especiacuteficos de los nuevos proyectos ha sido necesario

realizar modificaciones yo nuevas soluciones a las estructuras originales Estas actualizaciones

de uso frecuente no se teniacutean publicadas ni eran de conocimiento general entre las aacutereas

involucradas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 13: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 10

En la figura 11 se aprecia un sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten

distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica del cual nos enfocaremos al estudio del fenoacutemeno

de flameo inverso en la parte de transmisioacuten en 400 kV

Figura 11 Sistema eleacutectrico tiacutepico para la generacioacuten transmisioacuten distribucioacuten y utilizacioacuten de energiacutea eleacutectrica

12 Torres de transmisioacuten

Una torre de transmisioacuten es la estructura por donde pasan las liacuteneas de transmisioacuten estaacuten

disentildeadas para soportar las condiciones climaacuteticas de la regioacuten donde se van a instalar Las torres

estaacuten seccionadas para distribuir todo el peso y la tensioacuten ejercidas por los mismos conductores

evitando posibles colapsos Generalmente son construidas con acero estructural ademaacutes de tener

un acabado galvanizado por inmersioacuten en caliente tipo normal seguacuten las especificaciones dadas

por norma (NMX-J-151)

Existen diferentes modelos de torres de transmisioacuten debido a la cantidad de liacuteneas que pueden

contener destacando el modelo maacutes comuacuten que es el T-60 para liacuteneas de transmisioacuten de 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 14: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 11

52

53 (

53-T

60

Y R

)

47

53(

48-

T 6

0 Y

R)

42

62(

43-

T 6

0 Y

R)

81515 150

81515

836

esp a espAcotaciones en metros (m)

60deg

515

515

81

81

La figura 12 muestra una torre de transmisioacuten para liacuteneas de 400 kV de dos circuitos y dos

conductores con las siguientes variantes

Torre de suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

Torre de tensioacuten deflexioacuten en aacutengulos de 10ordm 15ordm y 30ordm

Torre de tensioacuten y remate deflexioacuten de 60ordm

Figura 12 Torre modelo T-60 para 400 kV

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 15: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 12

La tabla 11 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las

torres de transmisioacuten a 400 kV

Tabla 11 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisioacuten de 400 kV

NORMAS Y ESPECIFICACIONES

NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia baja aleacioacuten al niobio-vanadio

NMX-B-252 Requisitos Generales para Planchas Perfiles Tablaestacas y Barras de Acero Laminado para uso Estructural

NMX-B-254 Acero estructural

NMX-H-124 Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural

NMX-H-148 Arandelas helicoidales de presioacuten tipo regular (serie en pulgadas) NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural

NMX-H-004 Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersioacuten en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero

NMX-J-151 Productos de hierro y acero galvanizados por inmersioacuten en caliente

La tabla 12 muestra los diferentes modelos de torres de transmisioacuten

Tabla 12 Modelos y caracteriacutesticas torres de transmisioacuten

TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

43 S01 43 10684 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

48 S01 48 11873 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

53 S1 53 13313 Suspensioacuten deflexioacuten 2ordm

43 T10 43 15835 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

48 T10 48 17878 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

53 T10 53 20042 Tensioacuten deflexioacuten 10ordm

43 T15 43 16159 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

48 T15 48 18285 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

53 T15 53 20595 Tensioacuten deflexioacuten 15ordm

43 T30 43 19404 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

48 T30 48 22502 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

53 T30 53 25475 Tensioacuten deflexioacuten 30ordm

43 T60 43 2633 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

48 T60 48 30471 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

53 T60 53 34408 Tensioacuten y remate deflexioacuten 60ordm

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

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Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 16: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 13

HILO DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

AISLADORES

CONDUCTORES

CUERPO DE LA TORRE

CONDUCTORES

AISLADORES

b)c)

a)

HILO DE GUARDA

A continuacioacuten se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en liacuteneas de 400

kV

Figura 13 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV a) Torre autosoportada de celosia 1 circuito

disposicioacuten horizontal b) Torre autosoportada de celosia 2 circuitos disposicioacuten vertical c) Torre tipo tubular 2

circuitos disposicioacuten vertical con aislamientos polimeacutericos

13 Liacuteneas de transmisioacuten

Un sistema de transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es el medio de conexioacuten entre los consumidores y

los centros de generacioacuten el cual permite el intercambio de energiacutea entre ellos a todo lo largo de

la geografiacutea nacional Las liacuteneas de transmisioacuten y las subestaciones representan los principales

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

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Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 17: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 14

componentes de un sistema o red de transmisioacuten Una red se caracteriza por poseer diferentes

niveles de tensioacuten de operacioacuten Esta diversidad teacutecnica necesaria permite que el intercambio se

deacute en condiciones que minimicen las peacuterdidas de energiacutea para de esta forma lograr el uso

eficiente de la energiacutea por parte de todos los integrantes del sistema eleacutectrico (consumidores y

generadores)

La liacutenea de transmisioacuten es el elemento maacutes comuacuten de los que conforman las redes eleacutectricas En

conjunto estos elementos constituyen las arterias a traveacutes de las cuales fluye la energiacutea eleacutectrica

desde centros de generacioacuten hasta centros de consumo La transmisioacuten de dicha energiacutea se

realiza por medio de corriente alterna (ca) y de acuerdo al disentildeo de la liacutenea puede ser de

transmisioacuten aeacuterea o subterraacutenea Dependiendo del nivel de tensioacuten al cual se realiza la

transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica se tiene clasificadas a las redes en tres categoriacuteas transmisioacuten

subtransmisioacuten y distribucioacuten

En Meacutexico y otros paiacuteses los niveles de tensioacuten desde 115 kV o mayores son considerados como

de transmisioacuten Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de

subtransmisioacuten Por uacuteltimo niveles de tensioacuten menores a 345 kV estaacuten relacionados con redes

de distribucioacuten Para el caso del territorio nacional los niveles de tensioacuten normalizados se pueden

verificar en la NMX-J-098-ANCE

En el caso de Meacutexico la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica es aeacuterea es evidente que el aislante

comuacuten entre conductores es el aire circundante ademaacutes de que los dispositivos de generacioacuten y

de transporte se disentildean para que operen con corriente alterna trifaacutesica

14 Sistema de proteccioacuten

Un sistema de proteccioacuten es aquel conjunto de dispositivos disentildeados para detectar fallas u otras

situaciones anormales en una red eleacutectrica permitir la eliminacioacuten de estas fallas poner fin a

situaciones anormales e iniciar sentildeales o indicaciones tiene disposicioacuten de uno o maacutes equipos de

proteccioacuten

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

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Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 18: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 15

RELEacute

TC INTERRUPTOR

BOBINADE

DISPARO

CARGA

BANCO DE BATERIAS

Elementos de un sistema de Proteccioacuten

Releacutes

Fusibles

Interruptores termo magneacuteticos

Interruptores o disyuntores

Reconectadores

Seccionadores

Transductores

Sistemas de comunicacioacuten

Fuente auxiliar

Un sistema de proteccioacuten (figura 14) es un equipo que incorpora uno o maacutes elementos de

proteccioacuten tales como transformadores de instrumentos cableados circuitos de disparo

suministros auxiliares y de ser factible sistemas de comunicacioacuten disentildeados para desempentildear

una o maacutes funciones de proteccioacuten especiacutefica formando parte de un sistema de proteccioacuten

Incluye tambieacuten elementos provistos para controlar la tensioacuten del sistema de energiacutea o las

desviaciones de frecuencia como son conexioacuten automaacutetica de una bobina de inductancia

(reactor) peacuterdida de carga etc

Figura 14 Estructura baacutesica de un sistema de proteccioacuten

El teacutermino proteccioacuten es un teacutermino geneacuterico para los dispositivos de proteccioacuten o los sistemas

de proteccioacuten Este puede ser utilizado para describir la proteccioacuten de una red eleacutectrica en su

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 19: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 16

conjunto o la proteccioacuten de elementos de planta individuales en un sistema eleacutectrico por

ejemplo proteccioacuten del transformador proteccioacuten de la liacutenea proteccioacuten del generador

El funcionamiento correcto de una proteccioacuten no es maacutes que emisioacuten de sentildeales de disparo y

otros comandos de una proteccioacuten de forma prevista en respuesta a una falla en la red eleacutectrica o

a otra anomaliacutea de la propia red

Una situacioacuten anormal en una red de energiacutea se presenta cuando las condiciones de

funcionamiento eleacutectrico en uno de sus elementos como por ejemplo tensioacuten corriente

potencia frecuencia estabilidad se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado

de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario

un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexioacuten inmediata del circuito

planta equipo o aparato defectuoso de la red de energiacutea mediante la desconexioacuten de los

interruptores correctos

Para una buena proteccioacuten debemos de tomar en consideracioacuten varios aspectos tales como la

distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicioacuten local de

cantidades eleacutectricas con las cuales se evaluacutea la distancia equivalente a la falla al compararla con

definiciones de zona

Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar

la selectividad tambieacuten estaacute la proteccioacuten de distancia completa que generalmente tiene

elementos de medicioacuten diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-

tierra o para cada medicioacuten de zona

Para todo caacutelculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance

Condicioacuten por la cual la configuracioacuten de la zona maacutes corta genera un alcance menor que el de la

seccioacuten protegida Un sub alcance erroacuteneo donde su alcance debido a errores de medicioacuten tiene

un alcance menor que su definicioacuten de zona El sobre alcance es la condicioacuten de una proteccioacuten

generalmente proteccioacuten de distancia donde la configuracioacuten de zona maacutes corta tiene un alcance

mayor que el de la seccioacuten protegida

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 20: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 17

15 Sobretensiones

Se entiende por sobretensioacuten a cualquier valor de tensioacuten pico mayor a la tensioacuten nominal del

sistema en operacioacuten que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eleacutectrico trayendo

como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eleacutectricas Existen muchas

causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia por esta razoacuten su

estudio suele realizarse atendiendo al origen al tipo de proceso transitorio y al tiempo de

duracioacuten La clasificacioacuten maacutes aceptada distingue tres tipos de sobretensiones

a) Sobretensiones temporales

Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracioacuten (varios milisegundos)

poco amortiguadas y de frecuencia igual o proacutexima a la frecuencia de operacioacuten Ejemplos de

sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra o a un

problema de ferro resonancia

b) Sobretensiones de maniobra

Una sobretensioacuten de este tipo es fuertemente amortiguada de corta duracioacuten y puede presentar

un rango de frecuencias que variacutea entre los 2 kHz y los 10 kHz Su origen puede estar en una

maniobra de conexioacuten o de desconexioacuten sin embargo puede haber otras causas que den lugar a

una sobretensioacuten de este tipo por ejemplo un cortocircuito puede provocar transitoriamente una

sobretensioacuten que se clasificariacutea dentro de este grupo

c) Sobretensiones de origen atmosfeacuterico (por rayo)

Son originadas por una descarga atmosfeacuterica tienen una duracioacuten muy corta y una amplitud que

puede ser varias veces la tensioacuten de pico nominal No existe una frontera muy clara entre un tipo

y otro de sobretensioacuten por ejemplo una sobretensioacuten originada por un cortocircuito es de tipo

temporal pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensioacuten de maniobra Por otra

parte la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensioacuten depende del tipo y sobre todo del

nivel de tensioacuten de la red en redes de tensioacuten nominal inferior a 400 kV las sobretensiones

atmosfeacutericas son maacutes peligrosas que las originadas por otra causa mientras que por encima de

400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las maacutes peligrosas

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 21: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 18

La importancia de las sobretensiones atmosfeacutericas crece conforme disminuye la tensioacuten nominal

de los componentes afectados por el rayo El valor de las sobretensiones que se pueden producir

en una red de distribucioacuten originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensioacuten

nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccioacuten y

coordinacioacuten de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones

atmosfeacutericas En general el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy

inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribucioacuten siendo el nuacutemero

de averiacuteas originadas por una sobretensioacuten de este tipo mucho maacutes reducido que el originado por

sobretensiones atmosfeacutericas directas o inducidas por el rayo

Un rayo puede originar una sobretensioacuten que termine provocando un fallo en la liacutenea aeacuterea

afectada o que se propague por la liacutenea y pueda provocar una averiacutea en alguacuten otro equipo La

aparicioacuten de una sobretensioacuten de origen atmosfeacuterico en una liacutenea aeacuterea puede ser debida a uno de

los mecanismos siguientes

La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 15) en ambos casos una parte

de la corriente del rayo termina propagaacutendose a tierra donde originaraacute sucesivas

reflexiones que pueden dar lugar a una tensioacuten superior a la rigidez dieleacutectrica del

aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase

Figura 15 Descarga atmosfeacuterica sobre el hilo de guarda

La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 16) debido a un apantallamiento

insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de eacuteste se produce una falta si la onda

de tensioacuten supera la rigidez dieleacutectrica del aislamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 22: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 19

Figura 16 Descarga atmosfeacuterica sobre el conductor de fase

La descarga cae en las cercaniacuteas de una liacutenea aeacuterea (figura 17) pudiendo inducir en eacutesta

tensiones superiores al nivel de aislamiento

Figura1 7 Descarga atmosfeacuterica que cae en las cercaniacuteas de una torre de transmisioacuten

El estudio del comportamiento de las liacuteneas de distribucioacuten frente al rayo ha sido objeto de gran

atencioacuten durante los uacuteltimos antildeos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este

campo Sin embargo todaviacutea existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento

suficientemente preciso probablemente los maacutes importantes sean la propia naturaleza del rayo y

los principales paraacutemetros que describen su comportamiento

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 23: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 20

16 Flameo inverso

Las descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten son mucho maacutes criacuteticas que en liacuteneas de

transmisioacuten debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor Los dantildeos causados por

descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten se deben a descargas directas sobre los

conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda Tambieacuten son debidos a descargas

indirectas que no impactan directamente la liacutenea pero alteran el campo electromagneacutetico a su

alrededor induciendo sobretensiones en la misma

Los principales dantildeos causados por descargas atmosfeacutericas en liacuteneas de distribucioacuten afectan

equipos como los que se mencionan a continuacioacuten Transformadores de distribucioacuten

cortacircuitos y fusibles interruptores de aceite conductores de liacutenea y aisladores

Adicionalmente pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre

devanados de los transformadores afectando equipos domeacutesticos

El punto de corte de ambas caracteriacutesticas es en realidad de difiacutecil determinacioacuten dado que

depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacioacuten del aislamiento

Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensioacuten tiende a

duplicarse por el efecto de liacutenea abierta por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de

sufrir dantildeos Un fenoacutemeno similar aunque no tan grave ocurre en los postes con derivaciones de

redes primarias

En pocas palabras este fenoacutemeno se presenta la descarga atmosfeacuterica que cae en el cable de

guarda o directamente en la torre al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta

resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio

propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente y hace que la torre

alcance un alto potencial eleacutectrico que aumenta suacutebitamente la tensioacuten entre el brazo de la torre

y el conductor de fase hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire

exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se

encuentra a un alto potencial) y el conductor de base

Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre

porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase como puede apreciarse en

la figura 18

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 24: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO I

IPN-ESIME INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 21

GS

t gtt 12

t2t1

t

v

(t )21

t(t )

G

VA

VCC

GS

GR

RE

Figura 18 Flameo inverso en una torre de transmisioacuten con su circuito eleacutectrico equivalente

Debido a la influencia de este fenoacutemeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al

sistema eleacutectrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

forma eficiente

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 25: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPITULO II

SOBRETENSIONES

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 26: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 23

Se denomina sobretensioacuten a todo aumento de tensioacuten que sobrepasa la tensioacuten nominal

de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

energiacutea en una instalacioacuten eleacutectrica

Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccioacuten ademaacutes

de destruir o averiar seriamente al material tambieacuten pueden ser la causa de fallas maacutes

severas Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su

magnitud sino tambieacuten a la forma de onda Si se realiza correctamente la instalacioacuten y

las liacuteneas de conexioacuten estaacuten en buenas condiciones es poco probable que se produzcan

sobretensiones Si a pesar de todas las precauciones estas se producen se procurara

que descarguen a tierra lo maacutes raacutepido que sea posible mediante los dispositivos de

proteccioacuten instalados para descargar la sobretensioacuten incidente en la instalacioacuten

Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensioacuten

generalmente en las primeras tienen menos importancia que en las uacuteltimas dado que

en las instalaciones de alta tensioacuten las propias condiciones de funcionamiento y de

aislamiento favorecen la aparicioacuten de sobretensiones por el medio ambiente y los

factores de contaminacioacuten en las liacuteneas de transmisioacuten

21 Tipos de sobretensiones

Las sobretensiones pueden clasificarse seguacuten su origen en dos grandes grupos del tipo

interno y del tipo externo

211 Sobretensiones del tipo externo

El fenoacutemeno de sobretensioacuten maacutes frecuente en las instalaciones eleacutectricas es originado

por la descarga atmosfeacuterica (rayo) que son perturbaciones con una duracioacuten auacuten maacutes

pequentildea que las de maniobra siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 21)

de 12s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 del valor maacuteximo dura 50s

(onda de 12s 50s) es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho

fenoacutemeno a fin de proporcionar una proteccioacuten adecuada a la instalacioacuten eleacutectrica

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 27: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 24

50 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

Figura 21 Forma de onda normalizada por descarga atmosfeacuterica (onda de 12s 50s)

Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos por carga estaacutetica descarga

indirecta y descarga directa estas se describen a continuacioacuten

a) Sobretensioacuten del tipo externo por carga estaacutetica

Este tipo de sobretensioacuten actuacutea cuando una formacioacuten nubosa existe sobre la liacutenea de

transmisioacuten de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

conductores por induccioacuten electroestaacutetica

b) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga indirecta

Este tipo de sobretensioacuten se presenta en la instalacioacuten eleacutectrica cuando ocurre una

descarga atmosfeacuterica en puntos cercanos a eacutesta Debido a las caracteriacutesticas de alta

potencia del rayo (200 kA 200 kV) se induce una onda electromagneacutetica Este tipo de

sobretensioacuten es el maacutes frecuente y por el valor de sus paraacutemetros llega a ser grave

c) Sobretensioacuten externa del tipo de descarga directa

Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos

de guarda de la liacutenea o bien porque estos hilos no existen se originan dos ondas de

corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad

del rayo y a dos ondas de tensioacuten cuyo valor depende de la impedancia involucrada Si

dicho valor supera a la tensioacuten de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

liacutenea se produciraacute una falla en los dos apoyos maacutes proacuteximos al punto de caiacuteda del rayo

provocando dos ondas cortadas que viajaraacuten a lo largo de la liacutenea hasta las

subestaciones terminales Si esta tensioacuten no es superior a la de ruptura no se produciraacute

falla del aislamiento de la liacutenea Observaacutendose en todo caso que las ondas de tensioacuten

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 28: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 25

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

que llegan a una subestacioacuten estaacuten limitadas por el nivel de aislamiento de la liacutenea de la

que proceden

En la figura 22 se observa la incidencia de la descarga atmosfeacuterica en la mitad del

conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre con sus respectivos

porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor Si el rayo cae

sobre un apoyo la corriente que circula por la estructura metaacutelica de apoyo y a traveacutes de

su toma de tierra daraacute origen a la aparicioacuten de una tensioacuten importante entre la estructura

y los conductores de fase Esta tensioacuten depende de la intensidad del rayo y de la

impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda

de frente escarpado correspondiente Si esta tensioacuten supera el valor de la tensioacuten de

ruptura de aislamiento conductor-apoyo se produce una falla de aislamiento

correspondiente denominado ruptura-inversa

Figura 22 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor mientras que B en forma directa

a la torre (valores entre pareacutentesis) Este ultimo la torre deriva a tierra 60 de la corriente

212 Sobretensiones del tipo internas

Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones fallas u otros

motivos propios de la red existen dos tipos de sobretensiones dinaacutemicas y transitorias

las cuales se describen a continuacioacuten

a) Sobretensiones internas del tipo dinaacutemico

Son sobretensiones que tienen una duracioacuten de segundos y estaacuten ligeramente

amortiguadas En este tipo de sobretensioacuten los valores de tensioacuten son elevados en

comparacioacuten a la tensioacuten nominal del sistema

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 29: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 26

2500 us

Uc

09 Uc

05 Uc

03 Uc

T

U

T1

b) Sobretensiones internas del tipo transitorio

Son sobretensiones que tienen una corta duracioacuten y estaacuten fuertemente amortiguadas

originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con

impulsos de maniobra normalizados 250s 2500 s En la figura 23 se muestra la

forma de onda normalizada por la IEC

Figura 23 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s 2500 s)

22 Descargas atmosfeacutericas

Los fenoacutemenos atmosfeacutericos en especial la descarga denominada rayo han sido desde

los comienzos de nuestra civilizacioacuten La representacioacuten maacutes antigua que se conoce del

rayo data del antildeo 2200 antes de Cristo y se le atribuye a un paje de Bursin rey de la

ciudad de Isin en Mesopotamia Ya para el antildeo 700 antes de Cristo se observa la repre

sentacioacuten del rayo en la cultura griega y asiacute sucesivamente hasta nuestros diacuteas

Desde un punto de vista maacutes teacutecnico el rayo adquiere gran importancia cuando

Benjamiacuten Franklin en el mes de junio de 1752 pone de manifiesto la electricidad en

las nubes al hacer saltar chispas de su ceacutelebre cometa Sin embargo el estudio

sistemaacutetico del rayo y sus efectos se inicia en el antildeo de 1924 en Suecia

debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las liacuteneas de

transmisioacuten de la eacutepoca Casualmente en esa misma fecha empieza la

aplicacioacuten praacutectica de una de las herramientas maacutes valiosas en su observacioacuten

y medicioacuten como lo es el osciloscopio de rayos catoacutedicos Desde entonces la

alta tensioacuten dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenoacutemenos

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 30: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 27

eleacutectricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacioacuten

transmisioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica

221 La formacioacuten del rayo

La descarga atmosfeacuterica conocida como rayo es la igualacioacuten violenta de cargas de un

campo eleacutectrico que se ha creado entre una nube y la tierra o entre nubes

Los rayos que nos interesan por su efecto son los de nube a tierra y en eacutestos se pueden

encontrar 4 tipos 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra ya que pueden ser

positivos o negativos Los maacutes comunes son de una nube negativa hacia tierra

Los rayos iniciados en las nubes negativas normalmente aparecen en nubes de tormenta

que usualmente miden de 3 km a maacutes de 50 km de largo y son consecuencia de un

rompimiento dieleacutectrico atmosfeacuterico Este rompimiento una vez iniciado avanza en

zigzag a razoacuten de unos 50 m por microsegundo con descansos de 50

microsegundos Una vez que el rompimiento creoacute una columna de plasma en el aire la

descarga eleacutectrica surgiraacute inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de

radio del punto de potencial maacutes alto Y cualquier objeto puede ser el foco de inicio de

esta descarga hacia arriba de partiacuteculas positivas auacuten desde una parte metaacutelica debajo

de una torre

Los rayos consisten usualmente de descargas muacuteltiples con intervalos entre descargas

de decenas a centenas de milisegundos La primera descarga es la que tiene mayor

amplitud mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque maacutes raacutepidos aunque

la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geograacutefico La

primera descarga estaacute entre 6x107 ms y 15x107 ms y la segunda entre 11x107 ms y

13x107 ms

Las descargas atmosfeacutericas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas

eleacutectricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas A consecuencia de

ello pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metaacutelicas y entre

conductores que conectan dos zonas aisladas Pero auacuten sin la descarga una nube

cargada electrostaacuteticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente

debajo de ella

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

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Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 31: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 28

El campo eleacutectrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre

10 kVm y 30 kVm Una nube de tormenta promedio podriacutea contener unos 140 MW de

energiacutea con voltajes hasta de 100 MV con una carga en movimiento intra - nube de

unos 40 degC Esta energiacutea es la que se disipa mediante los rayos con corrientes pico que

van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA Los rayos de una nube positiva hacia

tierra contienen maacutes carga que sus contrapartes negativas por lo que son muy

estudiados En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos

y suceden maacutes frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas

Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caiacuteda de rayos en un lugar Por

ejemplo la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura

sobre el terreno circundante Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente

vulnerables Ademaacutes las puntas agudas incrementan tambieacuten la probabilidad de una

descarga

222 Teoriacuteas de las descargas atmosfeacutericas

Las descargas atmosfeacutericas presentan problemas para los sistemas de transmisioacuten de

energiacutea eleacutectrica la mayoriacutea de los disturbios son debidos a eacuteste fenoacutemeno

Se dispone de algunas teoriacuteas para tratar de explicar su origen y experimentos para

estudiar sus efectos

La nube de tormenta denota una constitucioacuten bipolar en la cual la carga negativa se

encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva Acerca de la forma en que se

lleva a cabo tal distribucioacuten de cargas en la nube no existe coincidencia de opiniones

Numerosos experimentos con globos sonda han verificado no obstante dicha

distribucioacuten La mayor parte de eacutestos a nivel mundial fueron conducidos en la deacutecada

de los antildeos 30 por institutos de fiacutesica estadounidenses La configuracioacuten simplificada de

una nube de tormenta se ilustra en la figura 1

Figura 24 Configuracioacuten tiacutepica de una nube de tormenta

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

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Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

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E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 32: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 29

El gradiente eleacutectrico El valor promedio del gradiente eleacutectrico (figura 25) en la

proximidad de la Tierra oscila alrededor de los 5 Vm para incrementarse

vertiginosamente en la proximidad de liacuteneas de transmisioacuten a 5 kVm y maacutes kVm y

bajo focos de tormenta (15 kVcm y maacutes kVcm)

Figura 25 Orientacioacuten del gradiente eleacutectrico terrestre

2221 Teoriacutea de Elster y Greitel (influencia eleacutectrica)

Esta teoriacutea tambieacuten se conoce con el nombre de teoriacutea de la influencia eleacutectrica En

la nube se encuentran gotas de diferentes tamantildeos Las maacutes grandes se precipitan y

las maacutes pequentildeas son llevadas por el viento hacia arriba Las gotas polarizan por la

accioacuten del campo eleacutectrico existente el cual como se veraacute a continuacioacuten denota

una direccioacuten terrestre Esto conduce a la formacioacuten de cargas positivas en la parte

inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma El roce de una

gota grande con una pequentildea al caer trae como consecuencia un intercambio de

cargas

En la gota pequentildea predomina entonces la carga positiva y en la grande la

negativa Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto En la nube por

consiguiente se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y

120 km 250 km

E

Appleton

Heaviside Kennelly

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 33: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 30

V

cargas negativas en su parte inferior El campo eleacutectrico que asiacute se forma favorece la

separacioacuten de cargas por influencia

En la figura 26 se ilustra el pensamiento baacutesico de Elster y Geitel La formacioacuten de la

nube se parece a lo establecido en la teoriacutea anterior no asiacute la distribucioacuten y

separacioacuten de cargas ya que el roce entre gotas desempentildea un papel determinante

Figura 26 Gota de lluvia seguacuten Elster y Geitel

Informaciones recientes le restan importancia a esta teoriacutea ya que el roce entre gotas

parece ser importante soacutelo en la formacioacuten de la lluvia y no en la distribucioacuten espacial

de las cargas eleacutectricas

2222 Teoriacutea de los Cristales de hielo

Esta teoriacutea explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo) en las

partes superiores de las nubes y tambieacuten en las regiones aacuterticas

Simpson y Robinsoacuten describen la formacioacuten de cargas eleacutectricas al chocar un granizo

con otro permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado

negativamente

Elster y Greitel opinan que la separacioacuten de cargas eleacutectricas se debe a la friccioacuten entre

vapor de agua con granizos o con gotas de agua Se trata de explicar que en las

tormentas recieacuten formadas con un gran cuacutemulo de nubes y en las que no existen

precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 degC ocurran descargas eleacutectricas en el

interior de la nube

2223 Teoriacutea de Willson

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 34: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 31

V

(+)(-)

Conocida tarnbieacuten como la ionizacioacuten de la gota de lluvia esta teoriacutea asume al igual que

la de Elster y Geitel una influencia del campo eleacutectrico en la formacioacuten de la gota

Wilson reemplaza a la accioacuten de la gota pequentildea de la teoriacutea anterior por la accioacuten de

los iones simplificaacutendose asiacute el fenoacutemeno de intercambio de cargas entre las gotas

En la gota que cae se separan las cargas eleacutectricas por la accioacuten del campo eleacutectrico La

parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva El

viento a su vez arraacutestralos iones hacia la nube donde los negativos son atraiacutedos por la

carga positiva de la parte inferior de la gota Los iones positivos son repelidos al mismo

tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube escapando asiacute a

la atraccioacuten de la mitad superior de la gota la cual continuacutea su caiacuteda por

consiguiente solo con carga negativa La nube denota entonces una carga positiva en

su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 27)

Figura 27 Fundamento de la teoriacutea de Wilson

Esta teoriacutea tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones praacutecticas

Asiacute por ejemplo el tiempo medio de formacioacuten de una carga eleacutectrica de 1 Ckm3

por la accioacuten de un gradiente eleacutectrico de 1 kVcm asciende a 170 min Para la

formacioacuten de la tormenta atmosfeacuterica esta carga resulta ser muy pequentildea y con un

tiempo de formacioacuten muy largo Esto le resta importancia a la teoriacutea de Wilson aunque

la misma contribuye a explicar la distribucioacuten de cargas eleacutectricas en la nube

2224 Teoriacutea de Simpson

Estaacute teoriacutea es de amplia aceptacioacuten praacutectica pues se fundamenta en experimentos

llevados a cabo en laboratorios

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 35: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 32

Cuaacutendo se desintegran gotas de lluvia por la accioacuten de una fuerte corriente de aire las

partiacuteculas asiacute formadas denotan una carga positiva y el aire a su vez causa la

presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa y por consi-

guiente gran movilidad En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza

la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia La corriente de aire

transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube donde se

reuacutenen o combinan con las partiacuteculas de agua Las gotas positivas que han sufrido un

fraccionamiento tambieacuten son llevadas hacia arriba por la accioacuten del viento y cuando

eacuteste cesa a determinadas alturas se unen entre ellas para formar asiacute gotas grandes y

caer de nuevo Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

asiacute la carga positiva

La figura 28 muestra la distribucioacuten de cargas en la nube seguacuten Simpson la cual ha

podido ser constatada en la praacutectica con la ayuda de globos sonda Es intereacutesame

apreciar que m ie n t ra s la s p ar t e s i n fe r io r e s de la nube denota una temperatura

promedio de + 40 C la parte superior alcanza valores de hasta -320C

Figura 28 Nube seguacuten Simpson con alturas e isotermas usuales

Estos gradientes teacutermicos desempentildean como se veraacute posteriormente un papel muy

importante al formarse la descarga ya que de acuerdo con la ley de Paschen

favorecen a la descarga con orientacioacuten terrestre

Lluvia electropositiva

Viento

00

40

-100

-320

2

4

6

8

h (km)

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 36: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO II

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 33

La teoriacutea de Simpson tiene gran ventaja a su favor ya que puede ser simulada en los

laboratorios gotas de aproximadamente 5 mm de diaacutemetro se desintegran cuando el

viento alcanza velocidades superiores a los 8 ms obtenieacutendose una distribucioacuten de

cargas parecida a la establecida por Simpson En la zona donde el viento no alcance

esta velocidad criacutetica no se podraacute formar por consiguiente la distribucioacuten espacial

de las cargas sentildealadas arriba dificultaacutendose asiacute la precipitacioacuten

Seguacuten Simpson las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan

comportamiento electropositivo seguacuten se puede verificar faacutecilmente en los

pluvioacutemetros Estas proceden casualmente del foco de tormenta sentildealado en la

figura 28 Las gotas siguientes denotan ya un caraacutecter electronegativo y soacutelo en

estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven aacute observarse gotas

electropositivas Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de

la nube

Existen otras teoriacuteas acerca de la formacioacuten de la nube de tormenta entre las cuales

resaltan las de R Gunn (teoriacutea de la condensacioacuten) Workman y Reynolds y otros En

vista de que estas no han adquirido una relevante importancia praacutectica como las

anteriores soacutelo se les menciona sin entrar en detalles

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 37: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO III

ALTERNATIVAS DE

MEJORA Y CAacuteLCULO

DEL FLAMEO INVERSO

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 38: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 35

31 Alternativas para la correccioacuten del fenoacutemeno de flameo inverso

La mayoriacutea de las liacuteneas de transmisioacuten y distribucioacuten de alta tensioacuten estaacuten instaladas

sobre torres enrejadas de acero Debido a la longitud de estas liacuteneas si penetran en una

zona con actividad atmosfeacuterica significativa son susceptibles de recibir impactos de

rayo directos y efectos inducidos debido a la caiacuteda de rayos en la vecindad o a descargas

entre nubes Para dar la proteccioacuten adecuada se incorpora un cable de tierra por sobre

los conductores Este cable estaacute puesto a tierra al comienzo y al teacutermino de cada liacutenea y

en todas las posiciones de soporte En general el electrodo de tierra en el punto de

soporte estaacute formado por las patas de acero de las torres enterradas en concreto en el

suelo

Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ugrave o

menos Sin embargo en suelo de alta resistividad la impedancia puede ser demasiado

alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales

Si un rayo impacta una torre entonces parte de la corriente asociada seraacute derivada a

tierra por la base de la torre y otra parte viajaraacute a las torres adyacentes a traveacutes del cable

de tierra aeacutereo La tensioacuten que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos

para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la liacutenea y ocurriraacute una descarga de

retorno (back-flashover) desde la torre a los conductores de fase

El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o maacutes

hacia afuera de cada pie de torre posiblemente con algunas barras verticales conectadas

a eacutel Con resistividad de suelo alta puede ser necesario instalar electrodos horizontales

largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre En

los casos peores se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la liacutenea en forma

subterraacutenea En disentildeos de liacutenea antiguos algunas veces se instaloacute entre las patas de la

torre secciones de tuberiacutea de fierro fundido pero en esta posicioacuten normalmente no es

significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 39: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 36

311 Hilo de guarda

Los hilos de guarda unen las estructuras maacutes importantes solo influyen en la corriente

de falla que circularaacute por la malla pero las recomendaciones que se siguen como

Norma ( En Norteameacuterica empleamos la IEEE-Std 142-1991 )

Es un conductor desnudo de 95 a 19 mm de diaacutemetro fabricado con alambres de acero

galvanizado de alta resistencia mecaacutenica cobre duro ACSR copperweld bronce

fosforado etc sus propiedades se muestran en la tabla 31 Se localiza en la parte

superior de la torre de transmisioacuten y esta conectado al sistema de tierras de la torre su

funcioacuten principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfeacutericas

que pudieran incidir en eacutestos y conducir la descarga a tierra

Tabla 31 Propiedades del hilo de guarda

Numero de hilos 7

Diaacutemetro 95 mm

Aacuterea 512 mm2

Peso 406 kg km

Carga de ruptura 4900 kg

Modulo de elasticidad inicial 15747 kg mm2

Modulo de elasticidad final 18137 kg mm2

Coeficiente de dilatacioacuten lineal 1152 x 10-6 ordmC

Ademaacutes en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un

cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensioacuten inducida por la

descarga como se aprecia en la figura 31

Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores

de fase por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos

de guarda de por lo menos la distancia entre conductores de fase

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 40: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 37

HILOS DE GUARDA

CUERPO DE LA TORRE

TRABE

AISLADORES

CONDUCTORES

Figura 31 Elementos de la torre de transmisioacuten de 400 kV

El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras

a) Dando a la liacutenea una impedancia pequentildea externa posible por lo cual disminuye

la sobretensioacuten

b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la liacutenea al ofrecer inmediatamente

cargas traiacutedas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

del campo de la nube

c) Al descargar la nube sobre la liacutenea de transmisioacuten las cargas capturadas por el

cable van directamente al sistema de puesta a tierra Una conexioacuten fallida a tierra

nulifica el efecto protector del cable

d) Si el cable estaacute bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las

siguientes eventualidades

Que sea el uacutenico conductor en la liacutenea de transmisioacuten tocado por la

descarga atmosfeacuterica

Que la mayor parte de la descarga atmosfeacuterica sea conducido por el

cable de guarda de donde resulta una disminucioacuten considerable de la

sobretensioacuten para el sistema

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 41: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 38

Que las descargas atmosfeacutericas de magnitud mediana hagan flamear los

aisladores de una fase en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

trifaacutesica

312 Puesta a tierra

Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eleacutectricas debidas a

descargas atmosfeacutericas yo transitorios en la red por contacto accidental en las liacuteneas de

alta tensioacuten y para estabilizar la tensioacuten eleacutectrica durante su operacioacuten Los equipos se

conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la

diferencia de potencial que en un momento dado se puede presentar entre las

estructuras metaacutelicas y tierra

Cuando se hace la instalacioacuten de puesta a tierra se piensa inmediatamente en una varilla

o una malla de metal conductora (red de tierra) ahogada en el terreno inmediato de la

instalacioacuten eleacutectrica con el fin de que las descargas fortuitas sean confinadas en forma

de ondas y se dispersen en el terreno subyacente

3121 Funcionalidad de los sistemas de tierras

Con respecto a su funcionalidad los sistemas de tierras se clasifican en

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Sistemas de tierra de funcionamiento

Sistemas de tierra de trabajo

Sistemas de tierra de proteccioacuten

Limitan el valor de la tensioacuten contra tierra en las partes del sistema eleacutectrico que no

deben de ser mantenidas ni en tensioacuten ni aisladas y con las cuales pudiera estar en

contacto el personal

Sistemas de tierra de funcionamiento

Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento generalmente se

conectan los neutros de los generadores y transformadores apartarrayos etc

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 42: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 39

Sistemas de tierra de trabajo

Estos sistemas de proteccioacuten son de caraacutecter provisional normalmente utilizados para

poner a tierra una parte del circuito oacute instalacioacuten eleacutectrica para efectuar un trabajo oacute

alguna reparacioacuten

3122 Componentes del sistema de tierras

Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales

El dispersor oacute electrodo

Estaacute constituido por un cuerpo metaacutelico oacute un conjunto de cuerpos metaacutelicos puestos en

contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra Asiacute los

electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de

servicio e instalaciones electroteacutecnicas de manera unitaria es decir cuando se drena a

tierra toda la corriente a traveacutes del electrodo Generalmente como electrodos se adoptan

formas geomeacutetricas bien definidas tales como semiesferas placas circulares oacute

eliacutepticas varillas soacutelidas tubos y conductores ciliacutendricos

El conductor de tierra

Estaacute constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el

dispersor

Los colectores eventuales de tierra

Conjunto de colectores de los cuales se hacen maacutes dispersores y conductores de

corriente Es una combinacioacuten de formas geomeacutetricas de electrodos por medio de estas

combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida

3123 Principales caracteriacutesticas para los sistemas de puesta a tierra

Corriente de tierra I

Corresponde al valor maacuteximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser

dispersada en el sistema de tierra

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 43: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 40

Tensioacuten de tierra V

Equivale a la maacutexima diferencia de potencial entre el sistema de dispersioacuten y un punto

en el infinito cuando el sistema de tierra dispersa la corriente de tierra I prevista Este

valor se mide en Volts

Gradiente de tierra E

Indica en Vm la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del

dispersor variacutea en un metro

Resistencia de tierra R

Este valor debe ser lo maacutes bajo posible y depende directamente de la resistividad del

terreno en el cual estaacute enterrado el sistema de dispersioacuten y de sus caracteriacutesticas

particulares (forma geomeacutetrica extensioacuten y tipo de dispersor usado etc)

El factor maacutes importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en siacute sino la

resistividad del tipo de terreno la resistividad de la tierra variacutea con el contenido de

humedad y cambios de temperatura por ello el sistema deberiacutea ser disentildeado tomando

en cuenta la resistividad

Temperatura

La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta

llegar al punto de congelacioacuten del agua (0 degC) Por debajo del punto de congelacioacuten la

resistividad crece raacutepidamente al disminuir la temperatura Esto tiene importancia en

zonas friacuteas en donde el invierno congela el suelo hasta cierta profundidad aumentando

el valor de la resistividad alrededor de 200 veces En estos casos el sistema de tierra

debe instalarse por debajo del nivel de congelacioacuten si se pretende un valor aceptable del

valor de la resistencia a lo largo de todo el antildeo Por la cual el electrodo debe de llegar

hasta la capa freaacutetica por lo que en esta capa la resistencia no soacutelo es muy baja sino que

tambieacuten es de un valor estable en la figura 32 se muestra el comportamiento de la

resistividad del suelo contra la temperatura

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 44: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 41

Figura 32 Grafica de resistividad contra temperatura

Humedad

Cuando el terreno es completamente seco adquieren una resistividad muy alta La

resistividad disminuye raacutepidamente hasta que la humedad alcanza el 20 a partir de

ese porcentaje soacutelo se consigue una pequentildea disminucioacuten de la resistividad con el

aumento de la humedad Con un valor de humedad del 30 y decreciendo al 5 la

resistividad aumenta alrededor de 400 veces En la figura 33 se muestra el

comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad

Figura 33 Grafica de resistividad contra humedad

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 45: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 42

Resistividad

La resistividad eleacutectrica del terreno es la resistencia eleacutectrica de una unidad de

volumen de alguacuten material del suelo es decir es la propiedad del suelo para conducir

electricidad Se mide en unidades de resistencia eleacutectrica por longitud (tiacutepicamente se

expresa en ohms-metro)

Para obtener el valor de la resistividad del terreno se utiliza un Megohmetro de tierras

de cuatro terminales con sus cuatro puntas enterradas a la misma distancia y espaciadas

a la misma longitud en liacutenea recta A eacuteste meacutetodo se le conoce como Meacutetodo Wenner

Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad En la tabla

32 se muestran algunos valores

Tabla 32 Diferentes tipos de terrenos y sus resistividades

NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD (m)

Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba huacutemeda 5 a 100

Arcilla plaacutestica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del juraacutesico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena siliacutecea 200 a 3 000

Suelo pedregoso cubierto de ceacutesped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1 500 a 3 000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1 000 a 5 000

Calizas agrietadas 500 a 1 000

Pizarras 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedentes de alteracioacuten 1 500 a 10 000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

Hormigoacuten 2 000 a 3 000

Balasto o grava 3 000 a 5 000

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 46: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 43

LT

LC

313 Mejoramiento de la resistividad del terreno

Para tener un buen sistema de tierras se pudiera colocar una malla de puesta a tierra en

la base de cada torre aunque econoacutemicamente esto no es factible por lo que se

recomienda colocar

a) Cables de contrapeso

b) Varillas de contrapeso

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

e) Adicioacuten de bentonita

a) Cables de contrapeso

Se entierran horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres

la resistencia disminuye con el aumento de la longitud y con el aumento del diaacutemetro

del contrapeso enterrado en la figura 34 se muestra el efecto descrito

Figura 34 Distancia que recorre el impulso

Algunos tipos de arreglos de cables contrapeso utilizados para el mejoramiento de las

puestas a tierra de las estructuras de una liacutenea de transmisioacuten son las que se muestran a

continuacioacuten en la figura 35

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 47: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 44

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figura 35 Arreglo de dispersores

Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y soacutelo traen ventaja para fenoacutemenos de baja

frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud El arreglo maacutes comuacuten es el (e)

Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar

dantildeos en el sistema de tierras

b) Varillas de contrapeso

La utilizacioacuten de varillas de contrapeso se hace principalmente para aterrizar pararrayos

(copperweld) y consiste en enterrar verticalmente varillas conductoras pegadas a las

estructuras de las torres al igual que los cables de contrapeso La utilizacioacuten de este

material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la

profundidad En algunos casos es muy difiacutecil enterrar la varilla por el tipo de terreno

siendo costosa y complicada su colocacioacuten

c) Combinacioacuten de cables y varilla de contrapeso

La combinacioacuten en el uso de estos dos materiales traeraacute consigo un mejoramiento en el

valor de resistencia de puesta a tierra dependiendo del tipo de terreno en el que se

encuentra la torre y del tipo de arreglo que se coloque para los contrapesos Figura 35

En la mayoriacutea de los casos se utilizan la combinacioacuten de materiales del arreglo tipo (g)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 48: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 45

d) Aplicacioacuten de sales y carboacuten

La aplicacioacuten de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo teniacutea la caracteriacutestica

de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo Cayoacute en desuso por la

filtracioacuten de agua la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

resistencia del terreno El carboacuten de origen vegetal es complementario de las sales

puesto que el primero absorbe el agua salada y la retiene evitando el aumento del valor

de la resistencia del terreno Con el tiempo y las filtraciones de agua el carboacuten absorbe

maacutes agua por lo que se tiene menor cantidad de sales Ademaacutes el carboacuten se desintegra

por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal

e) Adicioacuten de bentonita

La utilizacioacuten de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a

tierra se utiliza soacutelo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso

arenisco oacute volcaacutenico y no es posible utilizar meacutetodos convencionales o por medio de

estos obtener valores satisfactorios de valores de puesta a tierra Es uno de los minerales

de arcilla maacutes puros y su utilizacioacuten es muy apropiada como masa de relleno y unioacuten

ademaacutes protege la puesta a tierra contra la corrosioacuten

Otro aislamiento que ayuda a la proteccioacuten de la liacutenea de transmisioacuten cuando la

descarga incide en la liacutenea es la cadena de aisladores que a continuacioacuten se menciona

32 Metodologiacutea para el caacutelculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen

atmosfeacuterico o debidas al rayo en las liacuteneas de transmisioacuten por descarga directa sobre los

conductores de fase porque no exista blindaje o bien porque el blindaje no opere

correctamente (falla de blindaje)

La denominada descarga retroactiva se presenta por lo general cuando el rayo incide en

forma directa sobre una torre de la liacutenea o sobre los cables de guarda Los casos

extremos son que caiga el rayo en forma franca sobre la torre o bien sobre los

conductores en el punto medio del claro sobre los cables de guarda y como estos estaacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 49: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 46

(5)

5

(15) (60) (15) (5)

10 35 35 10 5 0

A B

conectados directamente a las torres la corriente se conduce a traveacutes de eacutestas a tierra

En ambos casos influye la forma en como se encuentran conectadas a tierra las torres

De estudios que se han realizado se tiene una distribucioacuten porcentual de la corriente del

rayo (figura 36) seguacuten sea que incida sobre la torre directamente o sobre los

conductores de fase

Figura 36 Distribucioacuten porcentual de la corriente de rayo

Para una descarga directa a torre esta conduce aproximadamente un 60 de la

corriente

Desde el punto de vista praacutectico la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las

torres metaacutelicas produce una caiacuteda de tensioacuten Vp en la resistencia de conexioacuten a tierra

de la torre Esta caiacuteda de tensioacuten se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

ohm como

ൌ (31)ܫ

Donde

Corriente a traveacutes de la torre = ܫ

= Resistencia al pie de la torre

El potencial total que aparece en la liacutenea en caso de descarga atmosfeacuterica es

ൌ ܫ ܮ ௗௗ െ േ (32)

Donde

ܮ ௗௗ = Caiacuteda de tensioacuten debida ala inductancia de la torre

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 50: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 47

L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de

ͷ ܪߤ ൗ

Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase

Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase

Vn = Valor momentaacuteneo de la tensioacuten nominal con su respectiva polaridad

Para algunos casos praacutecticos se pueden despreciar los valores de Vk Vi y

eventualmente se puede hacer lo mismo con el teacutermino ܮ ௗௗ

Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensioacuten de retorno cuando se

cumple que

ȁ ȁ (33)

siendo VA el valor de la tensioacuten resistente en la cadena de aisladores

Es decir que la condicioacuten para que no se presente la descarga retroactiva es que

ܫ ȁ ȁ (34)

Esto significa que el valor de la resistencia de puesta a tierra no puede ser arbitrario

tiene maacutes bien que cumplir con una cierta condicioacuten tal que

௫ (35)

Donde Rp max es un valor de resistencia de puesta a tierra al cual se presenta la

descarga retroactiva (Back Flashover)

Para una liacutenea que tiene torres con dos cables de guarda la ecuacioacuten para determinar la

sobretensioacuten de retorno o descarga retroactiva se obtiene como se indica a

continuacioacuten

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 51: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 48

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

Figura 37 Diagrama equivalente del sistema de tierras y los hilos de guarda ante una corriente de rayo

El voltaje en la parte superior de la torre es

ൌ ோುோು

ሺݐሻ ோುோುା

ௗሺ௧ሻௗ௧ (36)

Tomando en consideracioacuten el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda

y los conductores de fase asiacute como el valor instantaacuteneo del voltaje a la frecuencia del

sistema el voltaje a traveacutes de la cadena de aisladores (vA) es

ൌ ோುோುା ሺݐሻ െ ܥ

ோುோುା ሺݐሻ

ோುோುା

ௗௗ௧ െ

ோುோುା

ௗௗ௧ േ ୬ (37)

Si se resuelve la ecuacioacuten anterior para obtener la expresioacuten de la corriente del rayo

necesaria para producir la descarga retroactiva es

ሺݐሻ ൌ ோುା

ோುሺଵሻ௭ோುோು

ௗௗ௧ േ

ோುାோುሺଵሻ (38)

Si se supone que el valor maacuteximo del iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo

ߙ ൌ ௗௗ௧ se presenta casi coincidente con el valor pico de la corriente de rayo que produce

un flameo inverso en los aisladores es

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 52: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 49

ெܫ ൌ ோುାோುሺଵሻ െ ௭ோು

ோು Ƚ െோುା

ோುሺଵሻ (39)

Por ejemplo para una liacutenea de 400 kV el valor miacutenimo de IM para producir el flameo

inverso se puede calcular en base a algunos valores tiacutepicos

El iacutendice de elevacioacuten de la corriente del rayo se puede tomar como

ߙ ൌ ݐ ൌ ͶͲ ȝΤ

La impedancia caracteriacutestica de los cables de guarda se puede tomar como 450 Ugrave para

una altura de 30 m

El factor de acoplamiento C = 025

La inductancia de la torre es L = 05 microHm para una altura de 30m

L = 05 x 30 = 15 microH

El valor maacuteximo de voltaje a la frecuencia del sistema es Vn=25O kV

La resistencia al pie de la torre se puede tomar como Rp = 15 Ugrave

El voltaje necesario para producir flameo en la cadena de aisladores es VA = 500 kV

El valor miacutenimo de la corriente del rayo para producir flameo se calcula como

ெܫ ൌ ሺͳ െ ሻܥ െ ݖ െ ן െ

ሺͳ െ ሻܥ

Donde

ൌ Ͷ ൌ ͶͷͲ

Ͷ ൌ ͳͳʹǡͷȍ

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 53: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 50

ெܫ ൌ ͳͷ ͳͳʹǤͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔͳͷͲͲ െ

ͳͳʹǡͷ െ ͳͷͳͳʹǡͷݔͳͷ ͶͲݔͳͷݔ

െ ͳͷ ͳͳʹǡͷͳͷݔͳͳʹǡͷሺͳ െ ͲǡʹͷሻݔʹͷͲ ൌ ͻͳǡʹܣ

De acuerdo con las curvas de distribucioacuten probabiliacutestica de la corriente del rayo una

corriente de 90 kA tiene una probabilidad de ocurrencia muy baja De hecho a pesar de

ser un problema de naturaleza aleatoria las descargas atmosfeacutericas para los propoacutesitos

de tener una idea de comportamiento se puede considerar que

El 80 de las corrientes del rayo son inferiores a 20 kA

El 95 de las corrientes del rayo son menores de 40 kA

El 99 son inferiores a 65 kA

De lo anterior se deduce la importancia de tener resistencias al pie de la torre con

valores bajos particularmente en zonas con alto nivel ceraacuteunico no deben ser superiores

en general a 15 Ugrave

321 El caacutelculo de la resistencia al pie de torre

El valor de la resistencia al pie de la torre representa uno de los paraacutemetros principales

para la evaluacioacuten de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las liacuteneas

de transmisioacuten por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante

El valor de Rp estaacute asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del

terreno pero depende tambieacuten de la forma en coacutemo se conecta a tierra la torre es decir

el elemento fiacutesico de conexioacuten de la(s) pata(s) de la torre al suelo y que puede ser

Electrodos (varillas) Contraantenas (conductores de cobre desnudos)

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 54: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 51

d

2a

2a d

dd

2a d

d

dd

322 Conexioacuten por medio de varillas

La resistencia a tierra cuando se hace la conexioacuten por medio de varillas se puede hacer

por medio de la foacutermula

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶ ቁ (310)

Donde

l = longitud de la varilla en metros

a = radio de la varilla en metros

ntilde = resistividad del terreno en Ugravem

Cuando se conectan varias varillas en paralelo se puede encontrar el radio equivalente como se indica para los siguientes casos

Dos varillas ܣ ൌ ξ כ

Tres varillas ξܣ כ ଶయ

Cuatro varillas

ܣ ൌ ඥξʹ כ ଶర

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 55: Analisis Del Flameo Inverso

CAPITULO III

ESIME-IPN INGENIERIA ELEacuteCTRICA 52

323 Conexioacuten por medio de contraantenas

Para torres instaladas en terrenos con alta resistividad el uso de varillas puede ser

insuficiente para obtener valores de resistencia al pie de la torre bajos en estos casos es

recomendable el uso de una red de tierras a base de contraantenas o conductores

enterrados a una profundidad de 60 a 70 cm respecto al nivel del suelo La resistencia de

una contraantena se calcula como

ൌ ఘଶగ ቀ

ଶସௗ െ ͳቁ (311)

Donde

l = longitud de la contraantena (m)

a = radio del conductor (m)

d = profundidad de instalacioacuten (m)

Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo es conveniente recordar aquiacute que es

mejor instalar varios conductores en paralelo en lugar de grandes longitudes de

contraantena

De hecho las ondas de corriente se propagan en la tierra a una velocidad de

aproximadamente 13 de la velocidad de la luz de manera que la resistencia transitoria

para una longitud de conductor dada se reduciraacute a su valor de estado permanente maacutes

raacutepido en conductores cortos que en conductores largos

El disentildeo de la conexioacuten a tierra de las torres se debe seleccionar de acuerdo al valor de

la resistividad del terreno para obtener un valor aceptable de resistencia al pie de la

torre Valores tiacutepicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes

Terreno de cultivo 10 - 100 Ugravem

Terreno seco 100 - 1000 Ugravem

Suelo Rocoso 103 - 106 Ugravem

Grava y Roca 107 - 108 Ugravem

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 56: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CAPIacuteTULO IV

SIMULACIOacuteN Y

RESULTADOS

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 57: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 54

i(t)

Zg Zg

L

Rp

i(t)

i1

i2

L

Rp

Z=Zg4

41 Caracteriacutesticas del modelo para analizar el Flameo inverso

Como se mensionoacute en el capiacutetulo anterior para una torre de transmisioacuten con dos hilos de guarda

se empleo el siguiente modelo para determinar la descarga retroactiva o sobretensiones de

retorno como se ve en la figura 41

Figura 41 Modelo y circuito eleacutectrico para determinar la descarga retroactiva

Con base al modelo anterior se procede a introducir los elementos del circuito eleacutectrico al

programa ATP-EMTP en el cual se simularaacute el comportamiento de las descargas de rayo en

dicha torre como se ve en la figura 42

Figura 42 Modelo para analizar el fenoacutemeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

EMTP

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 58: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 55

Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo uacutenico que tomamos en cuenta son las

caracteriacutesticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra

Se tomoacute este circuito debido a que se supone que el flameo inverso se da cuando la corriente de

un rayo vaja por la torre y llega al sistema de tierra si eacuteste esta bien disentildeado la corriente que

retorna por la torre tendraacute un valor diferente de cero pero con una magnitud insuficiente para

que ocurra el Flameo Inverso

En caso de que el Sistema de Puesta a Tierra esteacute mal disentildeado o mal calculado el valor de la

corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se deacute el

fenoacutemeno antes mencionado

La simulaciones trataraacuten de demostrar que el valor de resistencia que actualmentes se utiliza en

las torres es el valor correcto para esto utilizaremos una corriente de rayo de una magnitud de

100 000 A es decir 100 kA

42 Datos y graacuteficas de las correspondientes simulaciones

Para proceder con las simulaciones se deberaacute introducir al simulador valores de resistencia del

SCT la inductancia de la torre y el valor de la resistencia de los hilos de guarda calculada como

se indica en la figura 41 asi como el valor de la corriente de rayo de la fuente de dichos

valores la inductancia y la impedancia de los hilos de guarda permaneceraacuten contantes para todas

las simulaciones y que se han calculado como se vioacute en capiacutetulo 3

Las graacuteficas se analizaraacuten con base a las variantes de las simulaciones es decir corriente

disipada por el SCT en seguida la corriente que retorna por la torre etc tratando de hacer visible

el comportamiento de dichos paraacutemetros en los distintos casos de simulacioacuten

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 59: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 56

421 Datos de la Primera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 0Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 0 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

Infinita debido a que la resistencia al pie de la torre (resistencia de sistema de tierra) es de un

valor igual a cero

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 60: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 57

422 Datos de la Segunda Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 10Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 10 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 188645 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 61: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 58

423 Datos de la Tercera Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 20Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 20 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 102031 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 62: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 59

424 Datos de la Cuarta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 30Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 30 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 731595 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

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[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

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80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 63: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 60

425 Datos de la Quinta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 40Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 40 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 587238 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

-20

0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

20

40

60

80

100

[kA]

(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 64: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 61

426 Datos de la Sexta Simulacioacuten

Sistema de tierra

Resistencia 50Ω

L (Inductancia) 0026265mH

Torre

Resistencia 1125Ω

Caacutelculo de la corriente miacutenima para que exista un Flameo Inverso

ிூܫ ൌ ቆ ሺሻ൫൯ሺͳ െ ሻቇܥ ሺ െ ሻ െ ቆ െ ሺሻ൫൯ቇ ሺܮሻሺߙሻ

Teniendo los siguientes valores tiacutepicos

Z=1125Ω

Resistencia de puesta a tierra

Rp= 60 Ω

Factor de acoplamiento

C=025

Tensioacuten necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores

VA = 1550kV

Indice de la elevacioacuten de la corriente de rayo

aacute = 40kA micros

inductancia de la torre

L = 05microHm para un altura de 5253m 26265microH

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacioacuten nos da una corriente miacutenima de Flameo

inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmoacutesferica) es de

IFI = 442881 kA

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

120

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

20

40

60

80

100

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

15

30

45

60

75

90

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-20

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

-10

0

10

20

30

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

[kA]

(f ile martin2pl4 x -var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

0

10

20

30

40

50

[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

0

10

20

30

40

50

[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

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(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

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(file martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

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(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

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(f ile martin2pl4 x -var t) c XX0006- cXX0006-

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[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

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(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

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(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

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(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

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[kA]

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

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(file martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

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[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 65: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 62

43 Graacuteficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto e el sistema de tierra

como en la torre

431 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos

Figura 43 Resistencia del SCT con valor de 0Ω Figura 44 Resistencia del SCT con valor de 10 Ω

Figura 45Resistencia del SCT con valor de 40Ω Figura 46Resistencia del SCT con valor de 30 Ω

Figura 47 Resistencia del SCT con valor de 40 Ω Figura 48 Resistencia del SCT con valor de 50 Ω

4311 Interpretacion de resultados

Como se puede ver en las figuras 43 44 45 46 47 y 48 en cuanto mayor sea la resistencia

en el SCT menor es la corriente que es disipada por el mismo ya que por la naturaleza del

circuito la corriente eleacutectrica siempre buscara el camino que le proporcione una menor

resistencia por esa razoacuten al aumentar la resistencia del SCT es normal que ahora la corriente

que se disipaba por eacutel se vea disminuida al aumentar su resistencia

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

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CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

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[kA]

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

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CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

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[kA]

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 66: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 63

432 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos

Figura 49 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 410 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 411 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 412 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 413 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 414 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4321 Interpretacioacuten de Resulatados

Como se puede ver en las figuras 49 410 411 412 413 y 414 al ser mayor la resistencia del

SCT la corriente que retorna por la torre aumenta esta es la corriente que puede provocar el

fenoacutemeno de la descarga retroactiva Esto sucede debido a que al aumentar la resitencia del SCT

una parte de la corriente que antes pasaba por el SCT ahora regresara por la torre

En ninguno de los casos se alcanzoacute la corriente necesaria para que se produzca el flameo inverso

maacutes que en el caso en el que elSCT tiene un valor de 50Ω y la corriente que se alcanza es de

aproximadamente 47 kA cuando seguacuten los datos la corriente que se necsitaba para producir el

flameo inverso es de IFI = 442881 kA

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 5 10 15 20 25[us]

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0 5 10 15 20 25[us]

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(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-

0 2 4 6 8 10 12 14 16[us ]

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CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]

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CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

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ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 67: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 64

433 Corrientes en SCT amp en la Torre en una sola graacutefica

Figura 415 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 0Ω Figura 416 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 10Ω

Figura 417 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 20Ω Figura 418 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 30Ω

Figura 419 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 40Ω Figura 420 Corriente de Retorno en la torre con SCT de 50Ω

4331 Interpretacioacuten de resultados

En las figuras415 416 417 418 419 y 420 se mustra el comportamiento de la corriente

tanto en el SCT como en la torre lo que nos da como resultado la oportunidad de obserbar los

fenoacutemenos antes descritos Al aumentar la resistencia en el SCT la corriente en la torre aumenta

mientras que en el SCT disminuye se puede ver que en ambas existen disturbios que hacen

oscilar a ambas corrientes pero la que maacutes nos intereza observar es el que tiene una mayor

magnitud como sepuede ver se puede decir que al sumar ambas corrientes es mayor a la

corriente inyectada esto es por la misma naturaleza del fenoacutemeno de la descarga retroactiva

Como se puede ver en el caso de la resistencia del SCT de 50Ω es en el que ambas corrientes se

acercan maacutes siendo en el mismo caso en el que se produce el fenoacutemeno del Flameo Inverso

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006- cXX0006-

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CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

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ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 68: Analisis Del Flameo Inverso

CAPIacuteTULO IV

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA 65

434 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio

Figura 421 Corriente de Rayo con SCT de 0Ω Figura 422 Corriente de Rayo con SCT de 10Ω

Figura 423 Corriente de Rayo con SCT de 20Ω Figura 424 Corriente de Rayo con SCT de 30Ω

Figura 425 Corriente de Rayo con SCT de 40Ω Figura 426 Corriente de Rayo con SCT de 50Ω

4341 Interpretacion de Resultados

Estas figuras se anexan para que se compruebe que en todos los casos de la simulacioacuten se

introdujo la misma magnitud de corriente en eacuteste caso la corriente de rayo de una magnitud de

100 kA como se puede ver en las figuras 421 422 423 424 425 y 426 todas las graacuteficas

son iguales en cuanto a las magnitudes de los parametros (corriente conta tiempo) por lo que se

puede concluir que en cada uno de los diferentes casos de estudio se simuloacute con los mismos

paraacutemetros cambiado solamente la resistencia del SCT

(f ile martin2pl4 x-var t) cXX0006-+cXX0006-

000 005 010 015 020 025 030 035[ms]0

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ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 69: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME-IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

CONCLUSIONES

Como se puede ver en los 5 casos de simulacioacuten que se llevaron a cabo se comprueba que la

resistencia de puesta a tierra es el factor maacutes importante en la proteccioacuten de la torre y de la liacutenea

en cuanto al fenoacutemeno de Descarga Retroactiva (Flameo Inverso) lo anterior se comprueba si

tomamos en cuenta que es el uacutenico valor que podemos variar en nuestro sistema ya que los otros

valores que estaacuten involucradas en la foacutermula para la corriente de Flameo Inverso son valores

tiacutepicos es decir que se pueden tomar como valores constantes

Seguacuten las graacuteficas obtenidas en cada una de las simulaciones y comparaacutendolas con el valor de

Corriente de Flameo Inverso Calculado se puede ver claramente que entre mayor sea el valor de

la resistencia de puesta a tierra es menor la corriente que eacutesta puede disipar por lo que la parte

que no puede disipar se tiene que retornar por la torre por lo que se puede ver que entre mayor

sea el valor de la resistencia de puesta a tierra es mayor la corriente que retorna por la torre

Los valores tiacutepicos maacutes utilizados para el valor de la resistencia de puesta a tierra son 10Ω y

15Ω y en la segunda simulacioacuten se utilizoacute este valor demostrando que la corriente que retorna

por la torre no llega a los 25kA cuando para que se deacute el fenoacutemeno de Flameo Inverso se

necesita como miacutenimo una corriente mayor de 1287348kA Y en el uacutenico caso en el que se

obtuvo como resultado el Flameo Inverso fue en el caso de que el valor de Resistencia del

sistema de Puesta a Tierra es un valor de 50 Ω

Si se toma la corriente de rayo de una valor de 100 000A y seguacuten la norma IEC 1024 la

probabilidad de que caiga un rayo con esa magnitud es de solamente del 2 por lo que nuestro

sistema protege aproximadamente un 98 de las descargas atmosfeacutericas consideraacutendose asiacute un

sistema de proteccioacuten confiable

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa

Page 70: Analisis Del Flameo Inverso

ESIME - IPN INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA

BIBLIOGRAFIA

Allan Greenwood Electrical Transients in Power System Segunda edicioacuten Wiley

Interscience New York 1991

Kalifa MHigh Voltage Engineering Segunda edicioacuten Edit Maecel Dekker Inc EUA

1990

E Kuffel High Voltage Engineering Fundamentals Segunda edicioacuten Edit Newnes

2000

Gilberto Enriacutequez Harper Teacutecnicas Computacionales en Ingenieriacutea de Alta Tensioacuten

Preedicioacuten 1987 Edit Limusa