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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Transcript of Analisis Del Flameo Inverso

  • INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

    ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

    MECNICA Y ELCTRICA

    UNIDAD ZACATENCO

    ANLISIS DEL FLAMEO INVERSO EN LNEAS DE

    TRANSMISIN DE 400 kV UTILIZANDO EL ATP

    TESIS

    QUE PARA OBTENER EL TTULO DE

    INGENIERO ELECTRICISTA

    PRESENTAN:

    GUTIRREZ VALLE MARTN

    MARTNEZ PREZ PEDRO

    ASESOR: ING. GUILLERMO BASILIO RODRGUEZ

    MEXICO D.F. 2007

  • DEDICATORIA

    La presente tesis se la dedico a mi familia que gracias a sus consejos y palabras de aliento crec 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 apoyndome y aconsejndome siempre sin importar nada ms que mi bienestar. A mi madre por hacer de mi una mejor persona a travs de sus consejos, enseanzas y amor incondicionales que valoro ms de lo que pedo demostrar. A mi hermano por estar siempre presente, brindndome aliento cuando vea decaer mi nimo.

    AGRADECIMIENTOS

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

    Gracias a mis padres Mara de Jess y Jose de Jess Por su cario, comprensin y apoyo sin condiciones ni medida. Gracias por guiarme sobre el camino de la educacin.

    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. Adems de ser un buen amigo eres la mejor compaia 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 formacin profesional.

    Gracias a mis asesores Guillermo Basilio Rodrguez 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 investigacin.

    Gracias a cada uno de los profesores de la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

    (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 ms lo necesite.

    A todos aquellos que formaron parte de mi vida durante mi preparacn ya que la convivencia con cada uno de ustedes me dej una gran enseanza y muchas lecciones aprendidas.

  • Pedro Martnez Prez A Dios,

    ...por ser quien ha estado a mi lado en todo momento dndome las fuerzas necesarias para continuar luchando da tras da 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 alegra 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.

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    CONTENIDO NOMENCLATURA OBJETIVO INTRODUCCIN JUSTIFICACIN

    CAPITULO I: GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS ELCTRICOS DE POTENCIA 1.1 Antecedentes histricos 1.2 Torres de transmisin 1.3 Lneas de transmisin 1.4 Sistemas de proteccin 1.5 Sobretensiones 1.6 Flameo inverso

    CAPITULO II: SOBRETENSIONES 2.1 Tipos de sobretensiones 2.1.1 Sobretensiones del tipo externo

    2.1.2 Sobretensiones del tipo internas 2.2 Descargas atmosfricas

    2.2.1 La formacin del rayo

    2.2.2 Teoras de las descargas atmosfricas

    2.2.2.1 Teora de Elster y Greitel (influencia elctrica)

    2.2.2.2 Teora de los Cristales de hielo

    2.2.2.3 Teora de Willson 2.2.2.4 Teora de Simpson

    CAPITULO III: ALTERNATIVAS DE CORRECCION Y ANALISIS DEL FLAMEO INVERSO 3.1 Alternativas para la correccin del fenmeno de flameo inverso. 3.1.1 Hilo de guarda

    3.1.2 Puesta a tierra 3.1.2.1 Funcionalidad de los sistemas de tierras 3.1.2.2 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

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    3.1.2.3 Principales caractersticas para los sistemas de puesta a tierra 3.1.3 Mejoramiento de la resistividad del terreno 3.2 Metodologa para el clculo de la descarga retroactiva (Back Flashover) 3.2.1 El clculo de la resistencia al pie de torre 3.2.2 Conexin por medio de varillas 3.2.3 Conexin por medio de contraantenas

    CAPITULO IV: SIMULACIN Y RESULTADOS 4.1 Caractersticas del modelo para analizar el Flameo inverso 4.2 Datos y graficas de las correspondientes simulaciones 4.2.1 Datos de la primera simulacin

    4.2.2 Datos de la segunda simulacin 4.2.3 Datos de la tercera simulacin 4.2.4 Datos de la cuarta simulacin 4.2.5 Datos de la quinta simulacin 4.2.6 Datos de la sexta simulacin 4.3 Grficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto en el sistema de tierra como en la torre 4.3.1 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentes casos.

    4.3.1.1 Interpretacion de resultados 4.3.2 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos. 4.3.2.1 Interpretacin de Resulatados 4.3.3 Corrientes en SCT & en la Torre en una sola grfica

    4.3.3.1 Interpretacin de resultados 4.3.4 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio 4.3.4.1 Interpretacion de Resultados

    CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA

    39 43

    45 50 51 52

    54 55 56 57 58 59 60 61

    62 62 62 63 63 64 64 65 65

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    NOMENCLATURA

    ATP: Alternative Transient Program

    EMTP: Electro Magnetic Transient Program

    ACSR: Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel Reinforced) IEC: Comisin Electrotcnica Internacional

    SIMBOLOGA

    E: gradiente elctrico

    k: Kilo

    A: Ampere

    V: Volt

    W: watt

    m: metro

    cm: centmetro

    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 centgrados o: Grados m: mili

    : micro

    : ohm

    : resistividad del terreno

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    OBJETIVO

    Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexin a Tierra ante el fenmeno de flameo inverso (descarga retroactiva) en lneas de transmisin de 400 kV con el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program).

    OBJETIVOS PARTICULARES

    Analizar el fenmeno de la descarga retroactiva en Lneas de Transmisin de 400 kV.

    Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y resistencia del Sistema de Conexin 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 conexin a tierra debe ser el menor posible para evitar que exista el fenmeno de Flameo Inverso en la cadena de aisladores.

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    RESUMEN

    Lo que se hizo en este trabajo, fue recabar la informacin necesaria para poder entender, lo que es el fenmeno de la descarga retroactiva, tambin llamada Flameo Inverso; la cual se

    da en el momento en el que una descarga atmosfrica (rayo) cae directamente en la torre de transmisin, lo cual genera una corriente que se va hacia el sistema de puesta a tierra, el

    cual, si es bien diseado, 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 daos 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 trat de validar que los valores de resistencia del sistema de tierra, utilizadas por las compaas suministradoras en nuestro pas, sean de una magnitud tal que nos garantice un nivel de proteccin alto en contra de este fenmeno, entendiendo que por ser la descarga atmosfrica un fenmeno que no tiene una magnitud constante en su corriente, no se puede tener una proteccin del 100% para nuestro sistema.

    Por medio del programa de simulacin elctrica ATP (Alternative Transients Program), se simularon los efectos de la descarga atmosfrica 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 0, 10, , 50. Mediante las grficas obtenidas y las magnitudes calculadas para la corriente mnima de la descarga retroactiva se verific si era, o no vlido cada uno de los valores de resistencia propuestos en la batera de pruebas.

    Se comprob de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado por la compaa suministradora en Mxico (10 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 atmosfricas que ocurran.

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    INTRODUCCIN

    Como se sabe, las lneas de transmisin en Mxico son areas, esto quiere decir que son vulnerables a los fenmenos atmosfricos que ocurran a lo largo de su trayectoria, uno de estos fenmenos, es el llamado Descarga Retroactiva, el cual se da cuando una descarga atmosfrica cae directamente sobre una torre de transmisin, lo que provoca que a lo largo de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deber de llegar al sistema de tierra de la torre.

    Si el sistema de tierra est diseado de una manera correcta, ste debe de ser capaz de soportar la corriente generada por la descarga atmosfrica, en caso contrario, el sistema de tierra no ser capaz de diseminar sta corriente, lo cual har que dicha corriente retorne por el camino que lleg, es decir, la torre.

    Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta que los elementos de proteccin ya recibieron la descarga directamente y no fueron capaces de protegerlo al 100%, por lo que la corriente de retorno tendr ms posibilidades de daarlo, adems, 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 nico valor del que se puede tener control en la torre de transmisin, es el de la resistencia de puesta a tierra, ya que los dems parmetros son constantes ya que son propias de la misma torre. De ah la importancia de que este sistema de proteccin sea bien diseado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de proteccin ptimo.

    Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tom este tema para su estudio, como se puede imaginar los nicos con la autoridad para modificar este valor son las compaas suministradoras en Mxico, de all que solamente se verificar que los valores recomendados por stas compaas son vlidos y suficientes para tener un alto nivel de proteccin.

    En este trabajo se incluyeron los conceptos bsicos necesarios para poder entender lo que es el fenmeno del flameo inverso y su forma de tratarlo; a continuacin se expondr el desarrollo del trabajo en los captulos siguientes: CAPTULO I

    En este captulo se explica, lo que son las lneas de transmisin, sus elementos, y la importancia de los elementos del sistema de proteccin, as como que es una descarga atmosfrica y una pequea introduccin de lo que es el fenmeno de nuestro estudio, es decir: el Flameo Inverso (Descarga Retroactiva).

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    CAPTULO II

    Aqu se explica lo que es una sobretensin, y los tipos de sobretensiones existentes, pero se le da una mayor importancia a la sobretensin producida por el efecto de la descarga atmosfrica, citando y explicando las teoras ms aceptadas para explicar este fenmeno.

    CAPITULO III

    Aqu se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodologa de estudio, es decir cmo es que se puede estudiar por medio de una simulacin, y se dan algunos mtodos reales que se hacen para tratar de corregir o minimizar ste fenmeno, 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 caractersticas necesarias que se deben de conocer acerca de l, as como algunas maneras que existen de mejorarla, as como la forma en que se logra esta resistencia. CAPTULO IV

    En este punto se encontrarn las simulaciones que se hicieron, as como las grficas del comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra, como en la misma torre al retornar, as como los datos que se utilizaron para el clculo de la corriente mnima para que se de la Descarga Retroactiva.

    A continuacin se escribe una interpretacin para cada uno de los diferentes tipos de grficas que se obtuvieron.

    Y por ltimo se presentan las conclusiones que se derivan de este estudio.

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    CAPTULO I

    GANERALIDADES DE

    LOS SISTEMAS ELCTRICOS DE

    POTENCIA

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 9

    1.1 Antecedentes histricos

    La primera lnea de transmisin en nuestro pas fue la de NecaxaMxico, que entr en servicio en diciembre de 1905, con una capacidad de 60 kV; que aument a 85 kV cinco aos despus. Paralelo a este proyecto se desarroll la lnea MxicoEl oro, con la misma capacidad.

    En un inicio las estructuras eran de fabricacin extranjera, a lo largo del siglo XX, cada empresa propona, diseos y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias. Uno de los principales proyectos desarrollados en aqul entonces fue la construccin del anillo de 230 kV, por la empresa Acero Ecatepec, que se concluy en 1969.

    Este proyecto satisfaca y respaldaba las necesidades de energa elctrica, rodeando la periferia

    de la Ciudad de Mxico. La falta de normalizacin de las torres origin una gran variedad de torres distintas en las lneas de transmisin existentes. Algunas de las empresas que participaron

    en la fabricacin de torres fueron: Macomber, Bethlehm, Made, Siemens Schuckert y Aceros Ecatepec.

    Fue hasta principios de la dcada de los setentas, que Luz y Fuerza del Centro, realiz los

    primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricacin, capaz de asumir las necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos. El primero de los pedidos de fabricacin se asign al Taller de Estructuras Tacuba. En la actualidad, esta produccin se concentra en la

    Fbrica de Estructuras Xochinahuac. Uno de sus primeros y principales trabajos fue la construccin del anillo de 400 kV, que inici su construccin en 1974 y concluy exitosamente

    en 1985. Esta lnea circunda la periferia del rea metropolitana de la ciudad de Mxico y funge como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes.

    Debido al xito obtenido por la fabricacin de este tipo de estructuras dentro de la empresa, fue necesario crear un compendio de torres. Este esfuerzo se concluy en 1977, que inclua las torres existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingeniera Civil.

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

    realizar modificaciones y/o nuevas soluciones a las estructuras originales. Estas actualizaciones, de uso frecuente, no se tenan publicadas, ni eran de conocimiento general entre las reas involucradas.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 10

    En la figura 1.1 se aprecia un sistema elctrico tpico para la generacin, transmisin,

    distribucin y utilizacin de energa elctrica, del cual nos enfocaremos al estudio del fenmeno de flameo inverso en la parte de transmisin en 400 kV.

    Figura 1.1 Sistema elctrico tpico para la generacin, transmisin, distribucin y utilizacin de energa elctrica

    1.2 Torres de transmisin

    Una torre de transmisin es la estructura por donde pasan las lneas de transmisin, estn diseadas para soportar las condiciones climticas de la regin donde se van a instalar. Las torres estn seccionadas para distribuir todo el peso y la tensin ejercidas por los mismos conductores, evitando posibles colapsos. Generalmente son construidas con acero estructural, adems de tener un acabado galvanizado por inmersin en caliente tipo normal segn las especificaciones dadas por norma (NMX-J-151).

    Existen diferentes modelos de torres de transmisin debido a la cantidad de lneas que pueden contener, destacando el modelo ms comn que es el T-60 para lneas de transmisin de 400 kV.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 11

    52,53

    (53

    -T

    60 Y

    R)

    47,53

    (48-T

    60 Y

    R)

    42,62

    (43-T

    60 Y

    R)

    8,15,15 1.50

    8,15,15

    8,36

    esp. a esp.Acotaciones en metros (m)

    60

    5,15

    5,15

    8,1

    8,1

    La figura 1.2 muestra una torre de transmisin para lneas de 400 kV de dos circuitos y dos conductores, con las siguientes variantes:

    Torre de suspensin deflexin 2

    Torre de tensin deflexin en ngulos de 10, 15 y 30. Torre de tensin y remate deflexin de 60.

    Figura 1.2 Torre modelo T-60 para 400 kV

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 12

    La tabla 1.1 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las torres de transmisin a 400 kV.

    Tabla 1.1 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisin de 400 kV.

    NORMAS Y ESPECIFICACIONES

    NMX-B-284 Acero estructural de alta resistencia, baja aleacin 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 presin tipo regular (serie en pulgadas). NMX-H-172 Procedimientos para soldar acero estructural.

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

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

    La tabla 1.2 muestra los diferentes modelos de torres de transmisin: Tabla 1.2 Modelos y caractersticas torres de transmisin.

    TIPO ALTURA (m) PESO (kg) CARACTERISTICAS

    43 S01 43 10,684 Suspensin deflexin 2

    48 S01 48 11,873 Suspensin deflexin 2

    53 S1 53 13,313 Suspensin deflexin 2

    43 T10 43 15,835 Tensin deflexin 10

    48 T10 48 17,878 Tensin deflexin 10

    53 T10 53 20,042 Tensin deflexin 10

    43 T15 43 16,159 Tensin deflexin 15

    48 T15 48 18,285 Tensin deflexin 15

    53 T15 53 20,595 Tensin deflexin 15

    43 T30 43 19,404 Tensin deflexin 30

    48 T30 48 22,502 Tensin deflexin 30

    53 T30 53 25,475 Tensin deflexin 30

    43 T60 43 26,33 Tensin y remate deflexin 60

    48 T60 48 30,471 Tensin y remate deflexin 60

    53 T60 53 34,408 Tensin y remate deflexin 60

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 13

    HILO DE GUARDA

    CUERPO DE LA TORRE

    TRABE

    AISLADORES

    CONDUCTORES

    AISLADORESCONDUCTORES

    CUERPO DE LA TORRE

    CONDUCTORES

    AISLADORES

    b)c)

    a)

    HILO DE GUARDA

    A continuacin se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en lneas de 400 kV.

    Figura 1.3 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV. a) Torre autosoportada de celosia, 1 circuito,

    disposicin horizontal. b) Torre autosoportada de celosia, 2 circuitos, disposicin vertical. c) Torre tipo tubular, 2

    circuitos, disposicin vertical, con aislamientos polimricos.

    1.3 Lneas de transmisin

    Un sistema de transmisin de energa elctrica es el medio de conexin entre los consumidores y los centros de generacin, el cual permite el intercambio de energa entre ellos a todo lo largo de la geografa nacional. Las lneas de transmisin y las subestaciones representan los principales

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 14

    componentes de un sistema o red de transmisin. Una red se caracteriza por poseer diferentes niveles de tensin de operacin. Esta diversidad tcnica necesaria permite que el intercambio se

    d en condiciones que minimicen las prdidas de energa, para de esta forma lograr el uso eficiente de la energa por parte de todos los integrantes del sistema elctrico (consumidores y generadores).

    La lnea de transmisin es el elemento ms comn de los que conforman las redes elctricas. En

    conjunto, estos elementos constituyen las arterias a travs de las cuales fluye la energa elctrica desde centros de generacin hasta centros de consumo. La transmisin de dicha energa se realiza por medio de corriente alterna (c.a.), y de acuerdo al diseo de la lnea puede ser de transmisin area o subterrnea. Dependiendo del nivel de tensin al cual se realiza la transmisin de energa elctrica, se tiene clasificadas a las redes en tres categoras: transmisin, subtransmisin y distribucin.

    En Mxico y otros pases, los niveles de tensin desde 115 kV o mayores son considerados como de transmisin. Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de subtransmisin. Por ltimo, niveles de tensin menores a 34,5 kV estn relacionados con redes de distribucin. Para el caso del territorio nacional los niveles de tensin normalizados se pueden

    verificar en la NMX-J-098-ANCE.

    En el caso de Mxico, la transmisin de energa elctrica es area, es evidente que el aislante comn entre conductores es el aire circundante, adems de que los dispositivos de generacin y de transporte se disean para que operen con corriente alterna trifsica.

    1.4 Sistema de proteccin

    Un sistema de proteccin es aquel conjunto de dispositivos diseados para detectar fallas u otras situaciones anormales en una red elctrica, permitir la eliminacin de estas fallas, poner fin a situaciones anormales e iniciar seales o indicaciones, tiene disposicin de uno o ms equipos de

    proteccin.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 15

    REL

    TC INTERRUPTOR

    BOBINADE

    DISPARO

    CARGA

    BANCO DE BATERIAS

    Elementos de un sistema de Proteccin.

    Rels

    Fusibles

    Interruptores termo magnticos

    Interruptores o disyuntores

    Reconectadores

    Seccionadores

    Transductores

    Sistemas de comunicacin

    Fuente auxiliar

    Un sistema de proteccin (figura 1.4) es un equipo que incorpora uno o ms elementos de proteccin, tales como transformadores de instrumentos, cableados, circuitos de disparo, suministros auxiliares y, de ser factible, sistemas de comunicacin, diseados para desempear

    una o ms funciones de proteccin especfica formando parte de un sistema de proteccin. Incluye tambin elementos provistos para controlar la tensin del sistema de energa o las desviaciones de frecuencia como son: conexin automtica de una bobina de inductancia (reactor), prdida de carga, etc.

    Figura 1.4 Estructura bsica de un sistema de proteccin

    El trmino proteccin es un trmino genrico para los dispositivos de proteccin o los sistemas de proteccin. Este puede ser utilizado para describir la proteccin de una red elctrica en su

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 16

    conjunto o la proteccin de elementos de planta individuales en un sistema elctrico; por ejemplo, proteccin del transformador, proteccin de la lnea, proteccin del generador.

    El funcionamiento correcto de una proteccin no es ms que emisin de seales de disparo y otros comandos de una proteccin de forma prevista en respuesta a una falla en la red elctrica o a otra anomala de la propia red.

    Una situacin anormal en una red de energa se presenta cuando las condiciones de

    funcionamiento elctrico en uno de sus elementos, como por ejemplo, tensin, 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 desconexin inmediata del circuito, planta, equipo o aparato defectuoso de la red de energa mediante la desconexin de los interruptores correctos.

    Para una buena proteccin debemos de tomar en consideracin varios aspectos tales como la distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medicin local de cantidades elctricas con las cuales se evala 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; tambin est la proteccin de distancia completa que generalmente tiene elementos de medicin diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla fase-tierra o para cada medicin de zona.

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

    Condicin por la cual la configuracin de la zona ms corta genera un alcance menor que el de la seccin protegida. Un sub alcance errneo donde su alcance, debido a errores de medicin, tiene un alcance menor que su definicin de zona. El sobre alcance es la condicin de una proteccin, generalmente proteccin de distancia, donde la configuracin de zona ms corta, tiene un alcance

    mayor que el de la seccin protegida.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 17

    1.5 Sobretensiones

    Se entiende por sobretensin a cualquier valor de tensin pico mayor a la tensin nominal del sistema en operacin, que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema elctrico trayendo

    como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones elctricas. Existen muchas causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia; por esta razn su

    estudio suele realizarse atendiendo al origen, al tipo de proceso transitorio y al tiempo de duracin. La clasificacin ms aceptada distingue tres tipos de sobretensiones:

    a) Sobretensiones temporales Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duracin (varios milisegundos), poco amortiguadas y de frecuencia igual o prxima a la frecuencia de operacin. 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 sobretensin de este tipo es fuertemente amortiguada, de corta duracin y puede presentar un rango de frecuencias que vara entre los 2 kHz y los 10 kHz. Su origen puede estar en una

    maniobra de conexin o de desconexin, sin embargo puede haber otras causas que den lugar a una sobretensin de este tipo; por ejemplo, un cortocircuito puede provocar transitoriamente una sobretensin que se clasificara dentro de este grupo.

    c) Sobretensiones de origen atmosfrico (por rayo) Son originadas por una descarga atmosfrica, tienen una duracin muy corta y una amplitud que puede ser varias veces la tensin de pico nominal. No existe una frontera muy clara entre un tipo y otro de sobretensin; por ejemplo, una sobretensin originada por un cortocircuito es de tipo

    temporal, pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensin de maniobra. Por otra parte, la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensin depende del tipo y, sobre todo, del nivel de tensin de la red; en redes de tensin nominal inferior a 400 kV, las sobretensiones atmosfricas son ms peligrosas que las originadas por otra causa, mientras que por encima de 400 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las ms peligrosas.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 18

    La importancia de las sobretensiones atmosfricas crece conforme disminuye la tensin nominal de los componentes afectados por el rayo. El valor de las sobretensiones que se pueden producir

    en una red de distribucin originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensin nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la seleccin y coordinacin de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones atmosfricas. 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 distribucin, siendo el nmero de averas originadas por una sobretensin de este tipo mucho ms reducido que el originado por sobretensiones atmosfricas directas o inducidas por el rayo.

    Un rayo puede originar una sobretensin que termine provocando un fallo en la lnea area afectada o que se propague por la lnea y pueda provocar una avera en algn otro equipo. La aparicin de una sobretensin de origen atmosfrico en una lnea area puede ser debida a uno de

    los mecanismos siguientes:

    La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 1.5), en ambos casos una parte de la corriente del rayo termina propagndose a tierra donde originar sucesivas reflexiones que pueden dar lugar a una tensin superior a la rigidez dielctrica del aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase.

    Figura 1.5 Descarga atmosfrica sobre el hilo de guarda.

    La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 1.6) debido a un apantallamiento insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de ste; se produce una falta si la onda de tensin supera la rigidez dielctrica del aislamiento.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 19

    Figura 1.6 Descarga atmosfrica sobre el conductor de fase.

    La descarga cae en las cercanas de una lnea area (figura 1.7), pudiendo inducir en sta tensiones superiores al nivel de aislamiento.

    Figura1. 7 Descarga atmosfrica que cae en las cercanas de una torre de transmisin.

    El estudio del comportamiento de las lneas de distribucin frente al rayo ha sido objeto de gran atencin durante los ltimos aos y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este campo. Sin embargo, todava existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento suficientemente preciso; probablemente, los ms importantes sean la propia naturaleza del rayo y los principales parmetros que describen su comportamiento.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 20

    1.6 Flameo inverso

    Las descargas atmosfricas en lneas de distribucin son mucho ms crticas que en lneas de transmisin, debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor. Los daos causados por descargas atmosfricas en lneas de distribucin, se deben a descargas directas sobre los conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda. Tambin son debidos a descargas

    indirectas que no impactan directamente la lnea pero alteran el campo electromagntico a su alrededor, induciendo sobretensiones en la misma.

    Los principales daos causados por descargas atmosfricas en lneas de distribucin, afectan equipos como los que se mencionan a continuacin: Transformadores de distribucin, cortacircuitos y fusibles, interruptores de aceite, conductores de lnea y aisladores. Adicionalmente, pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre devanados de los transformadores, afectando equipos domsticos.

    El punto de corte de ambas caractersticas es en realidad de difcil determinacin, dado que depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminacin del aislamiento. Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensin tiende a

    duplicarse por el efecto de lnea abierta, por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de sufrir daos. Un fenmeno similar, aunque no tan grave, ocurre en los postes con derivaciones de redes primarias.

    En pocas palabras este fenmeno se presenta la descarga atmosfrica 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 elctrico, que aumenta sbitamente la tensin 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 1.8.

  • CAPTULO I

    IPN-ESIME INGENIERA ELCTRICA 21

    GS

    t >t 12

    t2t1

    t

    v

    (t )2

    1t

    (t )

    G

    VAVCC

    GS

    GR

    RE

    Figura 1.8 Flameo inverso en una torre de transmisin, con su circuito elctrico equivalente

    Debido a la influencia de este fenmeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al sistema elctrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en

    forma eficiente.

  • ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA

    CAPITULO II

    SOBRETENSIONES

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 23

    Se denomina sobretensin a todo aumento de tensin que sobrepasa la tensin nominal de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de

    energa en una instalacin elctrica.

    Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de proteccin, adems de destruir o averiar seriamente al material, tambin pueden ser la causa de fallas ms severas. Muchas veces, los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su magnitud, sino tambin a la forma de onda. Si se realiza correctamente la instalacin y las lneas de conexin estn 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 ms rpido que sea posible, mediante los dispositivos de proteccin instalados para descargar la sobretensin incidente en la instalacin.

    Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensin, generalmente, en las primeras tienen menos importancia que en las ltimas, dado que

    en las instalaciones de alta tensin las propias condiciones de funcionamiento y de aislamiento favorecen la aparicin de sobretensiones, por el medio ambiente y los

    factores de contaminacin en las lneas de transmisin.

    2.1 Tipos de sobretensiones

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

    interno y del tipo externo.

    2.1.1 Sobretensiones del tipo externo

    El fenmeno de sobretensin ms frecuente en las instalaciones elctricas es originado

    por la descarga atmosfrica (rayo), que son perturbaciones con una duracin an ms pequea que las de maniobra, siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 2.1)

    de 1,2s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50% del valor mximo dura 50s

    (onda de 1,2s /50s), es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho fenmeno, a fin de proporcionar una proteccin adecuada a la instalacin elctrica.

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 24

    50 us

    Uc

    0.9 Uc

    0.5 Uc

    0.3 Uc

    T

    U

    T1

    Figura 2.1 Forma de onda normalizada por descarga atmosfrica (onda de 1,2s /50s).

    Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos: por carga esttica, descarga indirecta y descarga directa, estas se describen a continuacin.

    a) Sobretensin del tipo externo por carga esttica.

    Este tipo de sobretensin acta cuando una formacin nubosa existe sobre la lnea de transmisin, de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los

    conductores por induccin electroesttica.

    b) Sobretensin externa del tipo de descarga indirecta.

    Este tipo de sobretensin se presenta en la instalacin elctrica cuando ocurre una descarga atmosfrica en puntos cercanos a sta. Debido a las caractersticas de alta potencia del rayo (200 kA, 200 kV), se induce una onda electromagntica. Este tipo de sobretensin es el ms frecuente y por el valor de sus parmetros llega a ser grave.

    c) Sobretensin 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 lnea 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 tensin cuyo valor depende de la impedancia involucrada. Si dicho valor supera a la tensin de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la

    lnea, se producir una falla en los dos apoyos ms prximos al punto de cada del rayo,

    provocando dos ondas cortadas que viajarn a lo largo de la lnea hasta las subestaciones terminales. Si esta tensin no es superior a la de ruptura, no se producir falla del aislamiento de la lnea. Observndose, en todo caso, que las ondas de tensin

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 25

    (5%)

    5%

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

    10% 35% 35% 10% 5% 0%

    A B

    que llegan a una subestacin estn limitadas por el nivel de aislamiento de la lnea de la que proceden.

    En la figura 2.2 se observa la incidencia de la descarga atmosfrica 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 metlica de apoyo y a travs de su toma de tierra dar origen a la aparicin de una tensin importante entre la estructura y los conductores de fase. Esta tensin 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 tensin supera el valor de la tensin de ruptura de aislamiento conductor-apoyo, se produce una falla de aislamiento correspondiente, denominado ruptura-inversa.

    Figura 2.2 El caso A corresponde a la incidencia a mitad del conductor, mientras que B en forma directa

    a la torre (valores entre parntesis). Este ultimo la torre deriva a tierra 60 % de la corriente.

    2.1.2 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: dinmicas y transitorias, las cuales se describen a continuacin.

    a) Sobretensiones internas del tipo dinmico.

    Son sobretensiones que tienen una duracin de segundos y estn ligeramente amortiguadas. En este tipo de sobretensin, los valores de tensin son elevados en comparacin a la tensin nominal del sistema.

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 26

    2500 us

    Uc

    0.9 Uc

    0.5 Uc

    0.3 Uc

    T

    U

    T1

    b) Sobretensiones internas del tipo transitorio.

    Son sobretensiones que tienen una corta duracin y estn fuertemente amortiguadas,

    originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con impulsos de maniobra normalizados 250s /2500 s. En la figura 2.3 se muestra la

    forma de onda normalizada por la IEC.

    Figura 2.3 Forma de onda normalizada por maniobra (onda de 250s /2500 s).

    2.2 Descargas atmosfricas

    Los fenmenos atmosfricos, en especial la descarga denominada rayo, han sido desde los comienzos de nuestra civilizacin. La representacin ms antigua que se conoce del rayo data del ao 2200 antes de Cristo, y se le atribuye a un paje de Bursin, rey de la ciudad de Isin, en Mesopotamia. Ya para el ao 700 antes de Cristo se observa la repre

    sentacin del rayo en la cultura griega, y

    as sucesivamente, hasta nuestros das.

    Desde un punto de vista ms tcnico, el rayo adquiere gran importancia cuando Benjamn Franklin, en el mes de junio de 1752, pone de manifiesto la electricidad en las nubes al hacer saltar chispas de su clebre cometa. Sin embargo, el estudio

    sistemtico del rayo y sus efectos se inicia en el ao de 1924 en Suecia,

    debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las lneas de transmisin de la poca. Casualmente en esa misma fecha empieza la

    aplicacin prctica de una de las herramientas ms valiosas en su observacin y medicin, como lo es el osciloscopio de rayos catdicos. Desde entonces la alta tensin dispensa especial cuidado al estudio de todos los fenmenos

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 27

    elctricos que en una u otra forma afectan a los sistemas de generacin, transmisin y distribucin de energa elctrica.

    2.2.1 La formacin del rayo.

    La descarga atmosfrica conocida como rayo, es la igualacin violenta de cargas de un campo elctrico 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 stos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los ms 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 ms de 50 km de largo, y son consecuencia de un rompimiento dielctrico atmosfrico. Este rompimiento una vez iniciado, avanza en

    zigzag a razn de unos 50 m. por microsegundo con descansos de 50 microsegundos. Una vez que el rompimiento cre una columna de plasma en el aire, la descarga elctrica surgir inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de radio del punto de potencial ms alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de inicio de esta descarga hacia arriba de partculas positivas, an desde una parte metlica debajo de una torre.

    Los rayos consisten usualmente de descargas mltiples, 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 ms rpidos, aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geogrfico. La primera descarga est entre 6x107 m/s y 15x107 m/s y la segunda entre 11x107 m/s y 13x107 m/s.

    Las descargas atmosfricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas elctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metlicas, y entre

    conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, an sin la descarga, una nube cargada electrostticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente debajo de ella.

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 28

    El campo elctrico debajo de una nube de tormenta es generalmente considerado entre 10 kV/m y 30 kV/m. Una nube de tormenta promedio podra contener unos 140 MW de

    energa con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intra - nube de unos 40 C. Esta energa 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 ms 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 ms frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas. Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la cada 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. Adems, las puntas agudas incrementan tambin la probabilidad de una descarga.

    2.2.2 Teoras de las descargas atmosfricas.

    Las descargas atmosfricas presentan problemas para los sistemas de transmisin de energa elctrica, la mayora de los disturbios son debidos a ste fenmeno.

    Se dispone de algunas teoras para tratar de explicar su origen y experimentos para estudiar sus efectos.

    La nube de tormenta denota una constitucin 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 distribucin de cargas en la nube, no existe coincidencia de opiniones. Numerosos experimentos con globos sonda han verificado, no obstante, dicha distribucin. La mayor parte de stos, a nivel mundial, fueron conducidos en la dcada

    de los aos 30 por institutos de fsica estadounidenses. La configuracin simplificada de una nube de tormenta se ilustra en la figura 1.

    Figura 2.4 Configuracin tpica de una nube de tormenta.

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 29

    El gradiente elctrico. El valor promedio del gradiente elctrico (figura 2.5), en la proximidad de la Tierra, oscila alrededor, de los 5 V/m, para incrementarse vertiginosamente en la proximidad de lneas de transmisin a 5 kV/m y ms kV/m y bajo focos de tormenta (15 kV/cm y ms kV/cm).

    Figura 2.5 Orientacin del gradiente elctrico terrestre

    2.2.2.1 Teora de Elster y Greitel (influencia elctrica).

    Esta teora tambin se conoce con el nombre de teora de la influencia elctrica. En

    la nube se encuentran gotas de diferentes tamaos; Las ms grandes se precipitan y las ms pequeas son llevadas por el viento hacia arriba. Las gotas polarizan por la

    accin del campo elctrico existente, el cual, como se ver a continuacin, denota

    una direccin terrestre. Esto conduce a la formacin 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 pequea, al caer, trae como consecuencia un intercambio de cargas.

    En la gota pequea 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

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 30

    V

    cargas negativas en su parte inferior. El campo elctrico que as se forma favorece la separacin de cargas por influencia.

    En la figura 2.6 se ilustra el pensamiento bsico de Elster y Geitel. La formacin de la nube se parece a lo establecido en la teora anterior, no as la distribucin y separacin de cargas, ya que el roce entre gotas desempea un papel determinante.

    Figura 2.6 Gota de lluvia segn Elster y Geitel.

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

    parece ser importante slo en la formacin de la lluvia y no en la distribucin espacial

    de las cargas elctricas.

    2.2.2.2 Teora de los Cristales de hielo.

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

    partes superiores de las nubes y tambin en las regiones rticas.

    Simpson y Robinsn describen la formacin de cargas elctricas 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 separacin de cargas elctricas se debe a la friccin entre vapor de agua con granizos o con gotas de agua. Se trata de explicar que en las tormentas recin formadas con un gran cmulo de nubes y en las que no existen

    precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 C ocurran descargas elctricas en el interior de la nube.

    2.2.2.3 Teora de Willson.

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 31

    V

    (+)(-)

    Conocida tarnbin

    como la ionizacin de la gota de lluvia esta teora, asume al igual que la de Elster y Geitel, una influencia del campo elctrico en la formacin de la gota.

    Wilson reemplaza a la accin de la gota pequea de la teora anterior por la accin de

    los iones, simplificndose as el fenmeno de intercambio de cargas entre las gotas.

    En la gota que

    cae se separan las cargas elctricas por la accin del campo elctrico. La

    parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva, El viento, a su vez, arrstralos iones hacia la nube, donde los negativos son atrados 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 as a

    la atraccin de la mitad superior de la gota, la cual contina su cada, por

    consiguiente solo con carga negativa. La nube denota entonces una carga positiva en su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 2.7).

    Figura 2.7 Fundamento de la teora de Wilson.

    Esta teora tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones prcticas. As, por ejemplo, el tiempo medio de formacin de una carga elctrica de 1 C/km3,

    por la accin de un gradiente elctrico de 1 kV/cm, asciende a 170 min. Para la formacin de la tormenta atmosfrica esta carga resulta ser muy pequea y con un

    tiempo de formacin muy largo. Esto le resta importancia a la teora de Wilson, aunque la misma contribuye a explicar la distribucin de cargas elctricas en la nube.

    2.2.2.4 Teora de Simpson.

    Est teora es de amplia aceptacin prctica, pues se fundamenta en experimentos llevados a cabo en laboratorios.

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 32

    Cundo se desintegran gotas de lluvia por la accin de una fuerte corriente de aire las partculas as 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 renen o combinan con las partculas de agua. Las gotas positivas que han sufrido un fraccionamiento tambin son llevadas hacia arriba por la accin del viento, y cuando ste cesa a determinadas alturas, se unen entre ellas para formar as gotas grandes y caer de nuevo. Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando

    as la carga positiva.

    La figura 2.8 muestra la distribucin de cargas en la nube segn Simpson, la cual ha podido ser constatada en la prctica con la ayuda de globos sonda. Es intersame

    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 2.8 Nube segn Simpson con alturas e isotermas usuales.

    Estos gradientes trmicos desempean, como se ver posteriormente, un papel muy importante al formarse la descarga, ya que de acuerdo con la ley de Paschen

    favorecen a la descarga con orientacin terrestre.

    Lluvia electropositiva Viento

    00

    40

    -100

    -320

    2

    4

    6

    8

    h (km)

  • CAPTULO II

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 33

    La teora de Simpson tiene gran ventaja a su favor, ya que puede ser simulada en los laboratorios: gotas de aproximadamente 5 mm de dimetro se desintegran cuando el viento alcanza velocidades superiores a los 8 m/s, obtenindose una distribucin de cargas parecida a la establecida por Simpson. En la zona donde el viento no alcance esta velocidad crtica no se podr formar, por consiguiente, la distribucin espacial de las cargas sealadas arriba, dificultndose as la precipitacin.

    Segn Simpson, las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan comportamiento electropositivo, segn se puede verificar fcilmente en los

    pluvimetros. Estas proceden, casualmente, del foco de tormenta sealado en la

    figura 2.8. Las gotas siguientes denotan ya un carcter electronegativo y slo en estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven observarse gotas electropositivas. Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de la nube.

    Existen otras teoras acerca de la formacin de la nube de tormenta, entre las cuales

    resaltan las de R. Gunn (teora de la condensacin), Workman y Reynolds, y otros. En vista de que estas no han adquirido una relevante importancia prctica, como las anteriores, slo se les menciona sin entrar en detalles.

  • ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA

    CAPTULO III

    ALTERNATIVAS DE

    MEJORA Y CLCULO DEL FLAMEO INVERSO

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 35

    3.1 Alternativas para la correccin del fenmeno de flameo inverso.

    La mayora de las lneas de transmisin y distribucin de alta tensin estn instaladas

    sobre torres enrejadas de acero. Debido a la longitud de estas lneas, si penetran en una zona con actividad atmosfrica significativa, son susceptibles de recibir impactos de rayo directos y efectos inducidos debido a la cada de rayos en la vecindad o a descargas entre nubes. Para dar la proteccin adecuada, se incorpora un cable de tierra por sobre los conductores. Este cable est puesto a tierra al comienzo y al trmino de cada lnea y en todas las posiciones de soporte. En general, el electrodo de tierra en el punto de soporte est 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 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 ser derivada a tierra por la base de la torre y otra parte viajar a las torres adyacentes a travs del cable de tierra areo. La tensin que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la lnea y ocurrir 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 ms hacia afuera de cada pie de torre, posiblemente con algunas barras verticales conectadas a l. 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 lnea en forma subterrnea. En diseos de lnea antiguos, algunas veces se instal entre las patas de la torre secciones de tubera de fierro fundido, pero en esta posicin normalmente no es significativo el mejoramiento de la impedancia a tierra.

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 36

    3.1.1 Hilo de guarda.

    Los hilos de guarda unen las estructuras ms importantes solo influyen en la corriente de falla que circular por la malla, pero las recomendaciones que se siguen como Norma ( En Norteamrica empleamos la IEEE-Std 142-1991 ).

    Es un conductor desnudo de 9.5 a 19 mm. de dimetro, fabricado con alambres de acero galvanizado de alta resistencia mecnica, cobre duro, ACSR, copperweld, bronce fosforado, etc. sus propiedades se muestran en la tabla 3.1. Se localiza en la parte superior de la torre de transmisin y esta conectado al sistema de tierras de la torre, su funcin principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosfricas

    que pudieran incidir en stos, y conducir la descarga a tierra

    Tabla 3.1. Propiedades del hilo de guarda.

    Numero de hilos 7

    Dimetro 9,5 mm

    rea 51,2 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 dilatacin lineal 11,52 x 10-6 / C

    Adems, 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 sobretensin inducida por la

    descarga como se aprecia en la figura 3.1.

    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 ELCTRICA 37

    HILOS DE GUARDA

    CUERPO DE LA TORRE

    TRABE

    AISLADORES

    CONDUCTORES

    Figura 3.1. Elementos de la torre de transmisin de 400 kV

    El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras:

    a) Dando a la lnea una impedancia pequea externa posible, por lo cual disminuye la sobretensin.

    b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la lnea al ofrecer inmediatamente cargas tradas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades

    del campo de la nube. c) Al descargar la nube sobre la lnea de transmisin, las cargas capturadas por el

    cable van directamente al sistema de puesta a tierra. Una conexin fallida a tierra nulifica el efecto protector del cable.

    d) Si el cable est bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las siguientes eventualidades:

    Que sea el nico conductor en la lnea de transmisin tocado por la

    descarga atmosfrica.

    Que la mayor parte de la descarga atmosfrica, sea conducido por el

    cable de guarda, de donde resulta una disminucin considerable de la

    sobretensin para el sistema.

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 38

    Que las descargas atmosfricas de magnitud mediana hagan flamear los aisladores de una fase, en lugar de afectar los tres polos y causar una falla

    trifsica.

    3.1.2 Puesta a tierra.

    Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones elctricas debidas a descargas atmosfricas y/o transitorios en la red por contacto accidental en las lneas de alta tensin, y para estabilizar la tensin elctrica durante su operacin. 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 metlicas y tierra.

    Cuando se hace la instalacin 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 instalacin elctrica, con el fin de que las descargas fortuitas, sean confinadas en forma

    de ondas y se dispersen en el terreno subyacente.

    3.1.2.1 Funcionalidad de los sistemas de tierras.

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

    Sistemas de tierra de proteccin.

    Sistemas de tierra de funcionamiento.

    Sistemas de tierra de trabajo.

    Sistemas de tierra de proteccin.

    Limitan el valor de la tensin contra tierra en las partes del sistema elctrico que no

    deben de ser mantenidas ni en tensin 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 ELCTRICA 39

    Sistemas de tierra de trabajo.

    Estos sistemas de proteccin son de carcter provisional, normalmente utilizados para poner a tierra una parte del circuito instalacin elctrica para efectuar un trabajo alguna reparacin.

    3.1.2.2 Componentes del sistema de tierras.

    Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales:

    El dispersor electrodo.

    Est constituido por un cuerpo metlico un conjunto de cuerpos metlicos puestos en contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra. As los

    electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de servicio e instalaciones electrotcnicas de manera unitaria, es decir, cuando se drena a tierra toda la corriente a travs del electrodo. Generalmente como electrodos se adoptan formas geomtricas bien definidas, tales como: semiesferas, placas circulares

    elpticas, varillas slidas, tubos y conductores cilndricos.

    El conductor de tierra.

    Est 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 ms dispersores y conductores de corriente. Es una combinacin de formas geomtricas de electrodos, por medio de estas combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida.

    3.1.2.3 Principales caractersticas para los sistemas de puesta a tierra.

    Corriente de tierra I.

    Corresponde al valor mximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser dispersada en el sistema de tierra.

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 40

    Tensin de tierra V.

    Equivale a la mxima diferencia de potencial entre el sistema de dispersin 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 V/m la diferencia de potencial entre dos puntos del terreno cuya distancia del dispersor vara en un metro.

    Resistencia de tierra R.

    Este valor debe ser lo ms bajo posible y depende directamente de la resistividad del terreno en el cual est enterrado el sistema de dispersin y de sus caractersticas

    particulares (forma geomtrica, extensin y tipo de dispersor usado, etc.).

    El factor ms importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en s, sino la

    resistividad del tipo de terreno; la resistividad de la tierra vara con el contenido de humedad y cambios de temperatura, por ello, el sistema debera ser diseado tomando en cuenta la resistividad.

    Temperatura.

    La resistividad crece muy lentamente a medida que la temperatura disminuye hasta llegar al punto de congelacin del agua (0 C). Por debajo del punto de congelacin, la

    resistividad crece rpidamente al disminuir la temperatura. Esto tiene importancia en zonas fras 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 congelacin si se pretende un valor aceptable del valor de la resistencia a lo largo de todo el ao. Por la cual, el electrodo debe de llegar hasta la capa fretica por lo que en esta capa la resistencia no slo es muy baja sino que

    tambin es de un valor estable; en la figura 3.2 se muestra el comportamiento de la resistividad del suelo contra la temperatura.

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 41

    Figura 3.2. Grafica de resistividad contra temperatura.

    Humedad.

    Cuando el terreno es completamente seco, adquieren una resistividad muy alta. La resistividad disminuye rpidamente hasta que la humedad alcanza el 20%, a partir de

    ese porcentaje slo se consigue una pequea disminucin 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 3.3 se muestra el comportamiento de la resistividad del terreno cuando se ve afectado por la humedad.

    Figura 3.3. Grafica de resistividad contra humedad

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 42

    Resistividad

    La resistividad elctrica del terreno, , es la resistencia elctrica de una unidad de

    volumen de algn material del suelo, es decir, es la propiedad del suelo para conducir electricidad. Se mide en unidades de resistencia elctrica por longitud, (tpicamente 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 lnea recta. A ste mtodo se le conoce como Mtodo Wenner. Dependiendo del tipo de terreno se tiene un diferente valor de resistividad. En la tabla 3.2 se muestran algunos valores.

    Tabla 3.2. 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 hmeda 5 a 100

    Arcilla plstica 50

    Margas y arcillas compactas 100 a 200

    Margas del jursico 30 a 40

    Arena arcillosa 50 a 500

    Arena silcea 200 a 3 000

    Suelo pedregoso cubierto de csped 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 alteracin 1 500 a 10 000

    Granitos y gres muy alterados 100 a 600

    Hormign 2 000 a 3 000

    Balasto o grava 3 000 a 5 000

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 43

    LT

    LC

    3.1.3 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 econmicamente esto no es factible, por lo que se recomienda colocar:

    a) Cables de contrapeso. b) Varillas de contrapeso. c) Combinacin de cables y varilla de contrapeso. d) Aplicacin de sales y carbn. e) Adicin 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 dimetro del contrapeso enterrado en la figura 3.4 se muestra el efecto descrito.

    Figura 3.4. 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 lnea de transmisin son las que se muestran a

    continuacin en la figura 3.5:

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 44

    (a)

    (b)

    (c) (d)

    (e) (f) (g)

    Figura 3.5. Arreglo de dispersores

    Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y slo traen ventaja para fenmenos de baja frecuencia (60 Hz) por ser de larga longitud. El arreglo ms comn es el (e).

    Los contrapesos deben estar enterrados a una distancia considerable (1 m) para evitar daos en el sistema de tierras.

    b) Varillas de contrapeso

    La utilizacin 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 utilizacin de este material se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la profundidad. En algunos casos, es muy difcil enterrar la varilla por el tipo de terreno siendo costosa y complicada su colocacin.

    c) Combinacin de cables y varilla de contrapeso

    La combinacin en el uso de estos dos materiales, traer 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 3.5. En la mayora de los casos se utilizan la combinacin de materiales del arreglo tipo (g).

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 45

    d) Aplicacin de sales y carbn

    La aplicacin de sales fue utilizada hasta hace muy poco tiempo, tena la caracterstica

    de rebajar la resistencia del terreno en cortos plazos de tiempo. Cay en desuso por la filtracin de agua, la cual lavaba la sal y por consiguiente aumentaba de nuevo la

    resistencia del terreno. El carbn 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 carbn absorbe ms agua, por lo que se tiene menor cantidad de sales. Adems el carbn se desintegra por la humedad contenida y permite que se lave mayor cantidad de sal.

    e) Adicin de bentonita

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

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

    arenisco volcnico y no es posible utilizar mtodos convencionales, o por medio de

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

    de arcilla ms puros y su utilizacin es muy apropiada como masa de relleno y unin, adems protege la puesta a tierra contra la corrosin.

    Otro aislamiento que ayuda a la proteccin de la lnea de transmisin cuando la

    descarga incide en la lnea es la cadena de aisladores que a continuacin se menciona.

    3.2 Metodologa para el clculo de la descarga retroactiva (Back-Flashover)

    Las sobretensiones de retorno se pueden presentar cuando sobretensiones de origen atmosfrico o debidas al rayo en las lneas de transmisin, 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 lnea 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 estn

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 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 travs de stas 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 distribucin porcentual de la corriente del rayo (figura 3.6), segn sea que incida sobre la torre directamente o sobre los conductores de fase.

    Figura 3.6 Distribucin 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 prctico, la corriente del rayo al ser conducida a tierra por las torres metlicas, produce una cada de tensin Vp en la resistencia de conexin a tierra

    de la torre. Esta cada de tensin se puede expresar en forma simplificada por la Ley de

    ohm como:

    (3.1)

    Donde: = Corriente a travs de la torre = Resistencia al pie de la torre

    El potencial total que aparece en la lnea en caso de descarga atmosfrica es:

    (3.2) Donde = Cada de tensin debida ala inductancia de la torre.

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 47

    L es la inductancia de la torre y su valor se puede tomar del orden de Vk = voltaje inducido del cable de guarda al conductor de fase. Vi = voltaje inducido por el rayo sobre el conductor de fase. Vn = Valor momentneo de la tensin nominal con su respectiva polaridad.

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

    eventualmente se puede hacer lo mismo con el trmino Se dice que se presenta la descarga retroactiva o sobretensin de retorno cuando se cumple que:

    (3.3)

    siendo VA el valor de la tensin resistente en la cadena de aisladores Es decir, que la condicin para que no se presente la descarga retroactiva es que: (3.4)

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

    tiene ms bien que cumplir con una cierta condicin tal que:

    (3.5)

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

    descarga retroactiva (Back Flashover).

    Para una lnea que tiene torres con dos cables de guarda, la ecuacin para determinar la sobretensin de retorno o descarga retroactiva, se obtiene como se indica a

    continuacin:

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 48

    i(t)

    Zg Zg

    L

    Rp

    i(t)

    i1

    i2

    L

    Rp

    Z=Zg/4

    Figura 3.7 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: (3.6)

    Tomando en consideracin el coeficiente de acoplamiento (c) entre los cables de guarda y los conductores de fase, as como el valor instantneo del voltaje a la frecuencia del sistema, el voltaje a travs de la cadena de aisladores (vA) es:

    (3.7)

    Si se resuelve la ecuacin anterior, para obtener la expresin de la corriente del rayo necesaria para producir la descarga retroactiva es: (3.8)

    Si se supone que el valor mximo del ndice de elevacin de la corriente del rayo 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 ELCTRICA 49

    (3.9)

    Por ejemplo, para una lnea de 400 kV el valor mnimo de IM para producir el flameo inverso se puede calcular en base a algunos valores tpicos:

    El ndice de elevacin de la corriente del rayo se puede tomar como:

    La impedancia caracterstica de los cables de guarda se puede tomar como 450 para una altura de 30 m.

    El factor de acoplamiento C = 0,25

    La inductancia de la torre es L = 0,5 H/m, para una altura de 30m L = 0,5 x 30 = 15 H.

    El valor mximo de voltaje a la frecuencia del sistema es: Vn=25O kV.

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

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

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

    Donde:

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 50

    De acuerdo con las curvas de distribucin probabilstica 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 atmosfricas, para los propsitos 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 cerunico no deben ser superiores en general a 15 .

    3.2.1 El clculo de la resistencia al pie de torre.

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

    para la evaluacin de las sobretensiones de retorno (descargas retroactivas) en las lneas de transmisin, por lo que el conocimiento del valor de esta resistencia es importante.

    El valor de Rp est asociado y depende directamente del valor de la resisitividad del terreno, pero depende tambin de la forma en cmo se conecta a tierra la torre, es decir,

    el elemento fsico de conexin 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 ELCTRICA 51

    d

    2a

    2a d

    dd

    2a d

    d

    dd

    3.2.2 Conexin por medio de varillas.

    La resistencia a tierra cuando se hace la conexin por medio de varillas se puede hacer por medio de la frmula: (3.10)

    Donde:

    l = longitud de la varilla en metros.

    a = radio de la varilla en metros. = resistividad del terreno en m

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

    Dos varillas

    Tres varillas

    Cuatro varillas

  • CAPITULO III

    ESIME-IPN INGENIERIA ELCTRICA 52

    3.2.3 Conexin 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:

    (3.11)

    Donde: l = longitud de la contraantena (m) a = radio del conductor (m) d = profundidad de instalacin (m)

    Cuando se usan 2 o 4 contraantenas en paralelo, es conveniente recordar aqu 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 1/3 de la velocidad de la luz, de manera que la resistencia transitoria para una longitud de conductor dada, se reducir a su valor de estado permanente ms rpido en conductores cortos que en conductores largos.

    El diseo de la conexin 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 tpicos de resistividad para algunos tipos de terrenos son los siguientes.

    Terreno de cultivo 10 - 100 m Terreno seco 100 - 1000 m Suelo Rocoso 103 - 106 m Grava y Roca 107 - 108 m

  • ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA

    CAPTULO IV

    SIMULACIN Y

    RESULTADOS

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 54

    i(t)

    Zg Zg

    L

    Rp

    i(t)

    i1

    i2

    L

    Rp

    Z=Zg/4

    4.1 Caractersticas del modelo para analizar el Flameo inverso

    Como se mension en el captulo anterior para una torre de transmisin 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 4.1:

    Figura 4.1 Modelo y circuito elctrico para determinar la descarga retroactiva.

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

    programa ATP-EMTP en el cual se simular el comportamiento de las descargas de rayo en dicha torre, como se ve en la figura 4.2.

    Figura 4.2 Modelo para analizar el fenmeno de la descarga retroactiva (Flameo inverso) en el programa ATP-

    EMTP.

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 55

    Se trata de un circuito de dos ramas en paralelo en donde lo nico que tomamos en cuenta son las caractersticas de la torre y la resistencia de puesta a tierra.

    Se tom 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 ste esta bien diseado la corriente que retorna por la torre tendr 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 est mal diseado o mal calculado el valor de la corriente de retorno de la torre puede llegar a tomar un valor suficiente para que se d el fenmeno antes mencionado.

    La simulaciones tratarn 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.

    4.2 Datos y grficas de las correspondientes simulaciones

    Para proceder con las simulaciones se deber 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 4.1, 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 permanecern contantes para todas las simulaciones, y que se han calculado como se vi en captulo 3.

    Las grficas se analizarn 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 parmetros en los distintos casos de simulacin.

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 56

    4.2.1 Datos de la Primera Simulacin

    Sistema de tierra:

    Resistencia: 0 L (Inductancia): 0,026265mH

    Torre:

    Resistencia: 112,5

    Clculo de la corriente mnima para que exista un Flameo Inverso:

    Teniendo los siguientes valores tpicos: Z=112,5 Resistencia de puesta a tierra. Rp= 0 Factor de acoplamiento C=0,25 Tensin necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores.

    VA = 1550kV Indice de la elevacin de la corriente de rayo = 40kA /s

    inductancia de la torre: L = 0,5H/m para un altura de 52,53m 26,265H

    Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin , nos da una corriente mnima de Flameo inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmsferica) 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.

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 57

    4.2.2 Datos de la Segunda Simulacin

    Sistema de tierra:

    Resistencia: 10

    L (Inductancia): 0,026265mH

    Torre:

    Resistencia: 112,5 Clculo de la corriente mnima para que exista un Flameo Inverso: Teniendo los siguientes valores tpicos: Z=112,5 Resistencia de puesta a tierra. Rp= 10 Factor de acoplamiento C=0,25 Tensin necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores.

    VA = 1550kV Indice de la elevacin de la corriente de rayo = 40kA /s

    inductancia de la torre:

    L = 0,5H/m para un altura de 52,53m 26,265H

    Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin , nos da una corriente mnima de Flameo inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmsferica) es de:

    IFI = 188,645 kA

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 58

    4.2.3 Datos de la Tercera Simulacin.

    Sistema de tierra:

    Resistencia: 20

    L (Inductancia): 0,026265mH

    Torre:

    Resistencia: 112,5 Clculo de la corriente mnima para que exista un Flameo Inverso: Teniendo los siguientes valores tpicos: Z=112,5 Resistencia de puesta a tierra. Rp= 20 Factor de acoplamiento C=0,25 Tensin necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores.

    VA = 1550kV Indice de la elevacin de la corriente de rayo = 40kA /s

    inductancia de la torre:

    L = 0,5H/m para un altura de 52,53m 26,265H

    Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin , nos da una corriente mnima de Flameo inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmsferica) es de:

    IFI = 102,031 kA

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 59

    4.2.4 Datos de la Cuarta Simulacin.

    Sistema de tierra:

    Resistencia: 30

    L (Inductancia): 0,026265mH

    Torre:

    Resistencia: 112,5 Clculo de la corriente mnima para que exista un Flameo Inverso:

    Teniendo los siguientes valores tpicos: Z=112,5 Resistencia de puesta a tierra. Rp= 30 Factor de acoplamiento C=0,25 Tensin necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores.

    VA = 1550kV Indice de la elevacin de la corriente de rayo = 40kA /s

    inductancia de la torre: L = 0,5H/m para un altura de 52,53m 26,265H

    Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin , nos da una corriente mnima de Flameo inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmsferica) es de:

    IFI = 73,1595 kA

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 60

    4.2.5 Datos de la Quinta Simulacin.

    Sistema de tierra:

    Resistencia: 40 L (Inductancia): 0,026265mH

    Torre:

    Resistencia: 112,5 Clculo de la corriente mnima para que exista un Flameo Inverso: Teniendo los siguientes valores tpicos:

    Z=112,5 Resistencia de puesta a tierra. Rp= 40 Factor de acoplamiento

    C=0,25 Tensin necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores.

    VA = 1550kV Indice de la elevacin de la corriente de rayo

    = 40kA /s

    inductancia de la torre: L = 0,5H/m para un altura de 52,53m 26,265H

    Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin , nos da una corriente mnima de Flameo inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmsferica) es de:

    IFI = 58,7238 kA

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 61

    4.2.6 Datos de la Sexta Simulacin.

    Sistema de tierra:

    Resistencia: 50 L (Inductancia): 0,026265mH

    Torre:

    Resistencia: 112,5 Clculo de la corriente mnima para que exista un Flameo Inverso: Teniendo los siguientes valores tpicos: Z=112,5 Resistencia de puesta a tierra. Rp= 60 Factor de acoplamiento C=0,25 Tensin necesaria para producir el flameo inverso en la cadena de aisladores.

    VA = 1550kV Indice de la elevacin de la corriente de rayo = 40kA /s

    inductancia de la torre:

    L = 0,5H/m para un altura de 52,53m 26,265H

    Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin , nos da una corriente mnima de Flameo inverso (corriente que regresa por la torre despues de una descarga atmsferica) es de:

    IFI = 44,2881 kA

  • CAPTULO IV

    ESIME-IPN INGENIERA ELCTRICA 62

    4.3 Grficas que muestran el comportamiento de la corriente