Cap 21 La Coordinación del Aislamiento.pdf

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CAPÍTULO 21

La coordinación del aislamiento~"~.,~.~'¡

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En los caplwlos anTeriores pudo observarse que en el sisTema, compuesto porunidades generadoras, líneas de rransmisión, subestaciones, etc., se puedengenerar sobretensiones de índole diversa. ESTas sobretensiones ya habían sidoagrupadas en dos grandes caTegorías: sobreTensiones internas (fallas a tierra,

operaciones de maniobra, desconexión brusca de la carga, ctc.) y sobretensio-nes eXTernas (descargas aTmosféricas).

19ualmeme se analizaron varias alternativas para limitar los valores críti-

cos que pueden alcanzar eSTassobreTensiones en el sistema. Así, por ejemplo,

en el capítulo 17 fue analizado el pararrayos, hoy en día el dispositivo másUTilizado en la derivación a tierra de sobretensiones de diferente índole. En el

capítulo 16 se discUTieron las propiedades de otros elementos de protección,Tales como cables, capacitanc-ias, inductancias, resistencias de prcinserción,etc.

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En el preseme capÍwlo se aborda la coordinación del aislamiemo, cuyaimportancia en la concepción dd sistema es rdevante, pues es precisamente ellala que en gran parte estipula y determina el costo o monto de la inversión.

En visIa de que existe una gran camidad de parámetros relacionadoscon eSTe Tema, y considerando además que las Iensiones comerciales se en-cuenrran hoy por hoy en el rango de los 800 kV, con miras a ser incremenTa-das a 1,20.0 o más kilovoltios, no siendo Iampoco dominio exclusivo del aire

donde ocurren los fenómenos en cuestión, pues exisTen otros compuestos de

uso cada vez mayo;-, tales c<,JmoSFó' nitrl)geno, cte., se procederá primero adefinir los términos más usuales.

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Coordinación del aislamiento

La definición más acertada se encuentra contenida en una publicación delS EV (AsociaciÓn de 1ngeni~r()s Etectricistas Suizos) del ,ui.o 1947, cuya tra-ducción puede formularse en los siguientes términos: se entiende por coordi-

799

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800 La coordinación del aislamiento

nación del aislamiento a todas aquellas medidas quc ticnen como finalidad

evitar fallas en el sistema como consecuencia de las sobretensiones que sege-neran en el mismo, al igual que la circunscripción de estas sobretensiones en

aqUellos sitios del sistema donde causen el menor daíio, sicn1'pre?y cuando seaeconómicamente viable y tratando en lo posible de que el suministro de eiler-gía no se vea interrumpido.

Al dar a conocer este enunciado la coordinación del aislamiento se limi-

taba. a las sobretensiones atmosféricas, pues las tensipnes comerciales nohabían excedido las barreras de la extra alta Tensión. Ya se mencionó en el. ~

capítUlo 10 que a partir de los 300 kV (Tensión nominal de transmisión) lassobretensiones inTernas desempeñan un papel cada vez más imponanTe, conlo cual tienen que entrar en juego onas consideraciones:

La definición cilada ilusna, a manera de ejemplo, que es preferible unafalla en una de las líneas de transmisiÓn y no en una de las subestaciones,donde los daños serían mayores, pues allí están concennados equipos demayor costo.

Sobre esta base se han operado los sistemas de Europa Central, donde'Jaexperiencia acumulada excede hoy en día los 50 años. ExceptUando a la Ru-sia Europea en el Viejo Comineme, ha exisTido poca receptividad en lo

refereme a la innoducción de tensiones superiores a los 400 kV (por ejemplo

525 y 765 kV), a pesar de que algunos países, entre ellos Italia, disponen delíneas experimemales de ultra alta tensión. Las distancias relarivameme cor-tas entre las centrales y los cennos de consumo han sido la causa de esta

poca receptividad.En vista de que hasta el nivel de 400 kV exisTe una gran experiencia, el

presente capítUlo intentará concennar los sistemas de exua y ulna alta Ten-sión, considerando que para la fecha de aparición de la presente obra ya dospaíses latinos contarán con sistemas de 800 kV (Brasil y Venezuela).

Especial atención le será dispensada a la corrieme alterna, pues para lastransmisiones a alta tensión y corriente continua (HVDC) se aplican otrasconsideraciones. La experiencia acumulada en otros países, en particular losdenominados industrializados en el hemisferio norte, no puede ser transpor-tada a los países tropicales, cuyas caracterís1:Ícas climatológicas son comple-

tamente diferentes, en especial en lo refereme a la actividad ceráunica de laatmósfera.

Aislamientos autorrestaurables

Penenecen a eSTe grupo aquellos aislames que después de una descarga dis-

ruptiva recuperan totalmeme sus propie~ades diclécnicas. Si bien este con-cepto se ha generalizado para aislamientos externos, por ejemplo en elaire, cabe señalar que también se aplica para cavidades cerradas, por ejemplollenas de SF 6, como es el caso de los equipos encapsulados.

En los sistemas y equipos convencionales las fallas ~)curren, en un altoporcentaje de casos, como consecuencia de la comaminación de los aislado-

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Sobretensiones normalizadas 801

res (suspensión, amarre, soporte, ete.). La ruptura sucede entOnces a través

del aire y a lo largo de la superficie aislante, es decir, sin perforación (vercapítUlo 3). -

Aislamientos no autorrestaurables

EstOs se caracterizan porque después de una falla no recuperan de nuevo

totalmente sus propiedades dieléctricas. Ejemplos típicos que afectan alaislamiento interno son fallas en los arrollamientos de los transformadores,

react<;Hes, etc., caracterizadas por una perforación que le impide al aislantesólido recuperar sus propiedades. Sin embargo, este TÍpo de falla tambiénpuede observarse en aislamientos externos, como por ejemplo en las mismascadenas de aisladores (perforación de la porcelana entre el espárrago y lacaperuza metálica). El aislante, en la mayoría de los casos, tiene que sersustitUido.

La coordinación del aislamiento tiene que diferenciar a ambos tipos, elautorrestaurable del no autorrestaurable, pues el primero se presta para laobtención de información estadística, por ejemplo llevando a cabo pruebasen los laboratorios de alta tensión, mientras que el segundo, característicodel aislamiento interno de los equipos, no se ve expuestO a las variacionesatmosféricas debido al encapsulamiento (cuba de transformadores, reactOres,etc ).

21.1',."..,

SOBRETENSIONES NORMALIZADAS :1,"

La fom1a de onda de la tensión desempeÚa un papel muy importante en elcomponamiento del aislamiento, pues las diferentes sobretensiones no tienenlos mismos tiempos de formación de cresta y semiamplirud. La lEC en suPublicación 60- 2 del año 1973, al igual que las normas alemanas VDE 0432T.2 de octUbre del 78, normalizan las dife'rentes formas de onda que aplicanen particular para cada sobre tensión. Para las denominadas sobretcIIsionesatmosféricas se ha normalizado un tiempo de formación de onda de 1.2J,Ls yuno de semiamplitUd de 50 ps, mientras que para las sobretensiones de ma-niobra el tiempo de fOlmación del valor máximo o pico es de 250 J,Lsy el desemiamplitUd 2,500 ps (figura 21.2 a y b). En vista de que en los laborato-rios resulta muchas veces difícil oscilografiar la onda de tensión y corriente

en todo el desarrollo, para la sobretensión atmosférica el tiempo de forma-ción de cresta se define con la ayuda de las tangentes señaladas en la ilustra-ción 21.1a.

El equipo en cuestión de ensayo no necesariamente tiene que verseexpuesto en la práctica a las solicitaciones dieléctricas de corta duración an.

tes citadas, ya que ~sta bien podría ser un incremento sostenido de la ten-

sión a frecuencia de régimen, como la que se ilustra en la figura 21.1c para50 Hz.


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TS = 1.2 ¡.1sy tiempo de semiamplitud TH =50 ¡.1s.

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Figura 21.1b Onda nonnalizada para la so-bretensión de maniobra TS/TH = 250/2500

o 30001000 2000

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Sobretensiones normalizadas 803

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Figura 21.c Tensión sostenida por espacio de1 mino a frecuencia de régimen (50, 60, 16 Y

2/3 Hz, etc.) para los diferentes ensayos en loslaboratorios de alta tensión.' I.a ilustraciónconsidera una frecuencia de 50 Hz. . I

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Las diferenles normas, por consiguienle, conlemplan pruebas con sobre-tensiones y tiempos diferentes. Mientras los impulsos correspondientes a lassobretensiones eXlernas (almosféricas) y de maniobra (internas) se aplican enforma conseculÍva un número delerminado de veces, para así obtener un

componamiemo probabilístico en el caso de los aislantes eXlernos, la sobre-

tensión a frecuencia de régimen suele aplicarse por espacio de 1 a 2 minutos.Con miras a simplificar el costo de los equipos de prueba algunas normassugieren la aplicaciÓn de lensiones continuas (f =OHz) por espacio de tiem-pos mayores.

En la práctica es factible observar también ..la prescripción de formas

de onda para pruebas dieléctricas que difieren de las aquí señaladas. Estoobedece a las características paniculares de los diferentes sistemas y a las for-mas en que se generan en loslaborawrios de aha lensión. Las sobretensionesde maniobra, por ejemplo, pueden ser generadas con la ayuda -del generadorde impulsos o excitando la cascada de corriente alterna en el primario.

Es importante que la forma de onda seleccionada para las pruebas seasemeje a la solicilación que se presentará en la práctica. Una primera ayudala suministran los analizadores transitorios de redes. También es posible, an-

tes de que los equipos entren en operación comercial, verificar los niveles delas sobretensiones de maniobra. En Venezuela la compañía EDELCA, que o-pera el sistema de 800 kV, ha construido un laboratorio móvil para estos

fines específicos.En cuanto a las sobre tensiones, normalizadas o no, a la coordinación del

aislamiento se le planlean las siguientes exigencias:

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1. Garantizar que el aislamiento del sistema soponará wdas las solicita-ciones dieléctricas, tanto anormales como nomlales.

2. Que exista una derivación a tierra, en forma inofensiva, de las sobre-tensiones que afectan al sislema y que, por consiguienle, ponen enpeligro el aislamiento del sislema.

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864 La coordi1laci6n del aislamiento

3. Garantizar que las ruptUras dieléctricas ocurran hasta donde sea posi-

ble en el aislamiento externo y no en el interno, de manera que losequipos costosos, tales como transformadores, reactores, ete., no su-fran daño alguno en sus aislante s sólidos y líquidos.

4. Si no es posible cumplir con las exigencias anteriores, entonces tratarde que las fallas sucedan en <1quellossitios del sistema donde causenel menor de los daños.

El arte de manejar todas estas medidas consiste en mantener un sano

equilibrio entre el costo del aislamiento que garantiza su cumplimiento, sinla interrupción del servicio, y el de los equipos encargados de la proteccióncontra las sobretensiones, considerando la frecuencia y magnitUd de éstas.

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21.2 AISLAMIENTOS AUTORRESTAURABLES

Los aislamientos autorrestaurables están sujetos, como ya se mencionó, a

variaciones y casualidades de orden estadístico. Si se desea saber si un ais-lante específico sopona una tensión determinada (por ejemplo un impulsode tensión de polaridad y tiempos conocidos, figura 21), es necesario expo-ner al objeto en cuestión de ensayo a diferentes pruebas, por lo generaldictaminadas por las nonnas de cada país. El número de impulsos y la can-

tidad de veces que puede fallar el equipo se estipula en función de las carac-

terísticas y confiabilidad. que se desean obtener. A continuación se trataráde describir los métodos más usados al respecto sin profundizar en la teoría de

las probabilidades, cuyos conceptos básicos deben ser repasados por el lector.

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21.2.1 Métodos probabilísticos

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Los diferentes métodos y enfoques se han visto fuertemente influenciadospor la experiencia obtenida en los analizadores de redes transitorios y.en lossistemas de 525 y más kilovoltios que a comienzos de la década de los 60entraron en servicio. Se aprecia rápidamente que casualmente las sobretensio-nes de maniobra son las que dictarían las reglas que deberán seguirse en eldimensionamiento del 'aislamiento. El recierre rápido (high speed reclosing)

con carga atrapada (capítUlo 20) es, a títUlo de ejemplo, una de las manio-bras que conlleva a las máximas solicitaciones o esfuerzos por parte delaislamiento.

21.2.1.1 Concepto "esfuerzo-rigidez"

Este es un concepto muy valioso en el área de las probabilidades y ,de la esta-dística. En el presente Clli?Oserá utilizado para analizar la probabilidad de queel aislamiento falle ante una sobretensión de maniobra.

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nnFigura 21.2 Relación existente entre el esfuer-zo y la rigidez y la probabilidad de falla delaislamiento.

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En un laboratorio de alta tensión es posible obtener la distribución

del esfuerzo, al cual se denominará con E y su componamiento respecto a la

rigidez (R) del aislamiento. Si el esfuerzo es mayor que la rigidez (E > R),

entonces la consecuencia será una falla en el aislante. Esta relación esfuerzo!

rigidez se ilusrra en la figura 21.2. .

Las ecuaciones correspondientes se pueden obtener considerando que la

rigidez es mayor que el esfuerzo o viceversa. La figura 21.3 contempla el

caso de que el esfuerzo sea menor que la rigidez (E < R). La probabilidad de

que ocurra un esfuerzo será determinada por f(El )" dE, donde El sería una

condición o esfuerzo específico. La condición de que el aislamiento falle

ante este esfuerzo El, es decir, la probabilidad de que el esfuerzo sea mayorque la rigidez, se expresa a través de

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e Figura 21.3 Consideración del caso particularde que el esfuerz9 (E) sea menor que la rigidez

(R).


La probabilidad de falla ante cualquier esfuerzo específico El vl<;ne ex-

presada entonces a través de

E

dP == [f(El ).dE]J~f(R)dR (21.2)

Si se integra sobre todos los posibles valores de E se obtendría la probabili-dad total de falla

+ =

1

+ E

]PF ==}=f(E). ! =f(R)dR dE (21.3 )

o también

! +=

PF ==)JE(E).FR(R).dE (21.4)

Si, por el contrario, la definición de la falla obedece a E> R} , entoncesse obtiene en forma análoga¡

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(21.5)

La probabilidad de falla para cualquier rigidez específica Rl está dada enton-ces por

dP==f(R¡).dR' f f(E).dsR¡

(21.6)

La probabilidad total para todos los posibles valores de E se obtiene de

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+=

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+=

PF==_l f(R). ff(E).dE .dR==})R(R).[l-FE(R)].dRR

(21. 7)

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Las relaciones anteriores se desarrollaron para una distribución .arbitra-

ria, tanto de la rigidez dieléctrica (R) como del esfuerzo (E) al que se sometela misma. De la teoría de probabilidades y de la estadística se sabe que paraun número elevado de datos en un histograma cualquiera su representación

gráfica conlleva a la curva de frecuencias, en la cual se suelen fundamentarlos métodos analíticos. En términos generales las cantidades que se procesanen estos métodos se obtienen de las curvas de distribución, cuya forma puede

ser muy variada, de acuerdo con el tipo de dato que se maneje.

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1/0 Aislamientos autorrestaurables 807

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3) Rl

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Figura 21.4 Consideración del caso particular

de que el esfuerzo sea mayor que la rigidez(E > R).

l)

~s La fom1a de la curva en cuestión determina lo que se conoce como tipo

de distribución, siendo la curva de distribución normal (figura 21.5) una de

las que se consigue con mayor frecuencia.Si se considera que tamo la rigidez dieléctrica R como el esfuerzo o soli-

citación E denotan una distribución normal, se obtiene la siguiente represen-tación:

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f(E) = N(JlE,a E)(21.8)

f(R) = N(JlR,a R )

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Figura 21.5 Distribución nonnal con área in-dicativa de la probabilidad de falla de acuer-do con la relación 21.11.

808 La rom-dimlÓrí" del nislamim/o

La probabilidad de falla se define como en el caso anterior, con lo cual

se puede enunciar

P F == P(R < E) == P [(R - E) < O] (21.9)

Si se introduce a la variable Z como la diferencia de las dos variables ~r-

bitrarias y sometidas al azar (Z::::R ~ E), se tendrá que siendo E y R norma-les también Z deberá ser normal, es decir,

f(Z) ::::N(llz ::::IlR -¡.LE, az =j a~ + a~) (21.10)

con una probabilidad de falla dada por

PF == ff(Z)- dZ (21.11)

Las variables ¡.Lya (media y desviación estándar) serán definidas poste-riormente. En términos de la cstandarización de la distribución normal se de-

duce que

[

IlR - fJ.tIPF == FJa ~ + a~ .

(21.12)

Este concepto de esfuerzo-rigidez puede ser aplicado en la solución deuna magnitud de problemas, como por ejemplo en la selección del diámetro

o radio del conductor de una línea en función del nivel de ruido máximo per-misible. El esfuerzo E sería el ruido producido por la línea, mientras que la'rigidez y su respectiva distribución sería la rigidez de la señal correspondienteen la estación de radio. La relación 21.12 pelmite calcular la probabilidadde que el ruido generado por el conductor exceda la rigidez de la señal deradio.

En vista de que se utilizan ampliamente 24 dB como relación señal/rui-

do, la probabilidad deseada sería aquella para la cual el ruido o radioin terferen-cia excede, con Un incremento de 24 dB, a la rigidez de la señal.

Otro ejemplo interesante se observa en la planificación de la generacióny consumo de electricidad, donde el esfuerzo E es igual a la carga pico, mien-tras que la rigidez R sería la generaciÓn disponible. La variable Z sería la

diferencia entre la generación menos la carga. Debe señalarse, sin embargo, quela generación disponible no acusa una distribución normal, en vista de lo cuales necesario utilizar las ecuaciones generales.

En la coordinación del aislamiento, que es el tema en cuestión, la dis-tribución del esfuerzo bien podría ser la distribución de las sobre tensiones demaniobra, mientras que la distribución ae la rigidez se correspondería con larigidez del aislamiento de la línea o subestación ante solicitaciones como las

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al referidas. Mientras la distribución del esfuerzo se detennina con la ayuda de

un analizador de redes transitOrio Q computador digital adecuado, la distribu-ción de la rigidez se obtiene mediante ensayos en un laboratOrio de alta ten-sión.j)

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21.2.1.2 Distribución Gaussiana

))

La disrribución normal o de Laplace- Gauss viene siendo, al igual que la dis-tribución de Poisson, un límite de la Ley Binomial. Esta ley se puede explicara través del siguiente ejemplo: en una caja hay bolas negras y blancas, estasúltimas en la proporción w, y se extrae n bolas consecutivas. La probabilidadde haber exrraído de la caja k bolas blancas será Pk' La correspondencia(k, Pk) define la llamada distribución binomial, dada por

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Pk =(nk)'wk'(l- w)n-k (21.13)"

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e- siendo un término del desarrollo del binomio [w + (1 - <.V)t, sinóni-mo de la Ley de Bernoulli. En el control de calidad de la industria, por ejem-plo, es interesante la distribución de Poisson, en particular cuando el númerode piezas defecruosas sea pequeño en comparación con una cantidad aprecia-ble de muestras. En este caso n es grande, mientras que <.Vpequeño, pero conel producto de ambos constante (n' w =A). La distribución de Poisson se ob-tiene entonces de.

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Ak->-".-Pk = e k j (21.14)

e La distribución de Laplace- Gauss, comúnmente llam'ada distribucióngaussiana, viene siendo un límite de la distribución binomial, cuando la pro-porción w tiende hacia 1/2 y n crece indefinidamente. Esta distribución escontinua y definida por la probabilidad elemental

de

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p(x)'dx =~e-(1/2)'(x-m)2 /a2 'dxayl21T

(21.15) ;

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1

1donde a es la. desviación típica o estándar y m la media. La distribución

Gaussiana se da en la práctica cuando las causas perrurbadoras elementalesque originan las fluctuaciones observadas son generalmente numerosas, deimportancia reducida, y tales que sus efectos se adicionan unos a otros; se

demuestra, precisamente, que las fluctuaciones obtenidas bajo los efectosde causas elementales responden al modelo normal, representado por la curvade distribución de Gauss (figura 21. 2). En la estadística este tipo de distribu-ción suele contemplarse como simétrico, debido a que la distribución essimétrica respectO a la media.

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Según se mencionÓ anterionnentc, la distribución de la rigidez del ais-lamiento de los sistemas eléctricos se detem1ina en los laboratorios de alta

tensión. Al aislamiento se le aplica un impulso de tensión de polaridad defi-

nida, cuyo valor pico o de cresta se va incrementando lentamente para cadanivel de tensión. El número de descargas observadas en cada nivel de tensión,dividido por el número de veces que se aplicó el impulso en cuestión, sumi-nistra la probabilidad de descarga p para la magnitUd, polaridad y fonna deonda del impulso en referencia.

La curva de distribución de frecuencias se obtiene al representar la pro-babilidad p en función de la tensión aplicada U (figura 21.6). Llama la aten-ción el hecho de que esta curva (1) confonne a la denominada distribuciónnonnal o gaussiana. Resulta ser usual también su representación en papel deprobabilidades, con las escalas distorsionadas para los fines en cuestión (figu-ra 21.6b), lo que "uministra una línea recta en lugar de una curva (figura21.6a). Este sencillo criterio permite verificar si una distribución cualquierasatisface o conforma una distribución nonnal o gaussiana. El punto p = 50%reviste en alta tensión particular importancia, pues suministra la tensión50% disruptiva de impulso (50% disruptive discharge voltage). Esta tensiónindica que de un número total de intentos (impulsos) la mitad cond,uce a una

ruptura de la rigidez dieléctrica del medio.Hoy en día se han desarrollado varios métodos p.ara obtener la tensión

disruptiva (50%) con sólo un número reducido de intentos (impulsos). Exis-

Figura 21.6 Función de la distribución normal acumulativa. 1 y l' indican laprobabilidad de descarga disruptiva, mientras que 2 y 2' la probabilidad desoportar el impulso. (A) escala lineal, (B) escala normal probabilística. La abs-cisa se puede indicar en kV o con la ayuda de la variable normalizada z =(U - U)/a. El caso ilustrado es válido para TI= 300 kV ya = 10 kV.

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'O Aislamientos autorrestaurables 811

¡-ten laboratorios modernos que cuentan además con instrumentos programa-

dos que obtienen rápidamente:: este valor.Si se recurre a la relación 21.15 puede afirmarse que la probabilidad de

descarga o ruptUra, llamada también flameo, está dada para una distribuciónnormal o gaussiana por la siguiente relación para una tensión arbitraria U:

e -z 1[

1

]p-J¡c¡;;;'exp __.z2 'dz

-~ V ...7T 2-

a(-

a

l,1-

(21.16)

l- en la cual la variable U ha sido sustitUida por la variable normalizada z. Losdiferentes términos se correlacionan de la siguiente manera:

e

:1

:1

z=(U-U)laU = LU/n. (Valor crítico de ruptura.)n = número de ensayos o intentosa = [L (U - U)2 InP/2. Desviación típica

(21.17)

""

D

1

1 ,La desviación típica o estándar es una medida de la dispersión que refle-

jan los registros d~ U alrededor del valor crítico de ruptura U. El coeficientede variación es a IU. La ventaja de la distribución normal o gaussiana esniba

en que una vez conocidas la tensión 50% disruptiva y la desviación estándaro típica se puede estimar la probabilidad de descarga disruptiva para cual-quier tensión. En la tabla 21.1 se indican varios valores obtenidos para la re-lación 21.16

1

1

De esta tabla se desprende que si la tensión es dos veces mayor que ladesviación típica o estándar por debajo del valor crítico ( z = - 2), la probabi-lidad de descarga disruptiva será p =0.023 (23%), mientras que la probabilidadde que el aislamiento soporte la prueba estará dada por 1 - P = 0.977. Deesta manera se le puede dar un significado específico a la tensión máxima

soportada por el aislamiento, lo cual será de gran ayuda después, al definir elnivel básico de aislamiento para cada impulso u onda normalizada. La lECsugiere una probabilidad de soportar la tensión, por parte del aislamiento,que sirva como referencia, para lo cual recomienda el valor numérico de0.90, y por consiguiente, z =-1.28. La tensión disruptiva debe ser entonces

verificada en los labora tolios respectivos y cuando menos debe ser igual a

1/{ 1 - 1,28 . al U}. Si se desea aumentar el margen entre la tensión disrup-civa y la tensión que soporta estadísticamente el aislamiento, entonces es

recomendable adopTar los valores z =- 2 a - 3 para la variable normalizada.

-~,.;.-",,,,,--,,,,-,,,.¡¡¡, '" "'~~

TABLA 21-1

z I - 3.0 - 2.0 --;-1.28 - 1.0 O 1.0 1.28 2.0 3.0

P I 0.0013 0.023 0.10 0.159 0.5 0.841 0.90 0.977 0.9987

!Ii~¡

J'1¡


En muchos casos no se dispone de información suficiente para determi-nar la probabilidad de falla del aislamiento, en vista de lo cual se ha generali-zado el uso de los siguientes valores para el coeficiente de variación (desvia-

ción están dar en p.u.):

u/U = 3% para impulsos de sobretensiones atmosféricas, seco o húme-do, y para frecuencia de régimen en estado seco.

6% para impulsos de sobretensiones de maniobra, seco o húme-do, y para frecuencia de régimen en estado húmedo.

u/U =

Los aislantes sólidos y líquidos denotan coeficientes de variación mayo-

res; así se tiene, por ejemplo, 10% para el aceite de transformadores y 8% pa-ra papel con resina.

Puede concluirse que soportar el impulso, por un.lado, y ocurrir la des-

carga, por el otro, son eventos mutUales y exclusivos que se suman para ~on-formar el número total de ensayos que reclama la prueba. La suma de ambasprobabilidades tiene entonces que ser igual a la unidad. La probabilidad de

soportar el impulso de tensión aplicado sin daños en el aislante está dada en-tonces por

q=l-p (21.18)

Las curvas 2 y 2/ en la figura 21.6 representan la distribución de la ten-sión que soporta el aislamiento.

Tensión alterna o continua estadística

Las consideraciones anteriores son válidas para impulsos de tensión de pola-ridad definida, como lo demandan las sobretensiones externas (atmosféricas)

e internas (maniobra, fallas a tierra, etc.). Para ensayos a frecuencia de régimen(50 Ó 60 Hz) o a tensión continua (O Hz), el procedimiento que debe seguirsees el siguiente: la tensión se va incrementando lentamente hasta que ocurrauna descarga. Esto se repite un número determinado de veces. La tensiór;¡50% disruptiva o tensión crítica de flameo es entonces el promedio de losvalores medidos (relación 21.17), es decir, .

U = ~U/n (21.19)

mientras que la desviación típica o estándar se obtiene con la ayuda de lamisma relación; a saber,

u = [1;(U- U)2 /n]l/2

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Aislamientos autorrestaurables 813

En el laboratorio se puede llevar a cabo la determinación del valor encuestión con la ayuda de sólo un número discreto de ensayos. Para un valorpequeño de n se obtiene entonces ..

a = [L(U - U)2. (n - 1)]1/2

Límites de confianza

La distribución probabilística, que se obtiene de una serie limitada de ensa-

yos, suele partir, por lo general, de la distribución real o verdadera en fun-ción del número de ensayos que se lleve a cabo en cada nivel de tensión. Esposible entonces estimar en una primera aproximación, con la ayuda de losmétodos estadísticos, los límites en que quedará comprendida la relaciónexistente entre el valor real promedio y la desviación típica o están dar. En elcampo en cuestión, fundamentalmente relacionado con la descarga eléctrica,esta probabilidad se selecciona como 0.95 y se suele referir entonces un lími-te de confianza de 95%. Los rangos aproximados son entonces los siguientes:

~".

".,

para la tensión de descarga :t tp. a /.jñ

:t [tp(n - 1)]I/2.a

.",.d'

(21.20)

para la desviación están dar

De los textos de estadística se pueden obtener diferentes valores parat . Para un límite o nivel de confianza de 95% se deduce que t = 2, y para np pensayos se obtiene

para la tensión de descarga :t O.4S.a

(21.21)para la desviación están dar :t 0.33.a

El coeficiente de variación, llamado también desviación típica o están-

dar en p. u., para las sobretensiones de maniobra había sido consideradoigual a 6%. Este permite determinar la tensión crítica de descarga con bastan-te exactitUd (:t 3%). Pero en realidad la desviación estándar se mueve en unrango muy poco satisfactorio (:t 33%). Esta peculiaridad obliga a considerarlos resultados obtenidos en otros laboratorios para ensayos similares.

La función de densidad probabilÚtica

Si se considera que la distribución probabilística es normal o gaussiana, locual se compagina en gTan parte con el comportamiento de la tensión de des-carga o flameo en los sistemas de alta tensión, pueden utilizarse los concep-tos establecidos estadíslicamente para la tensión que soporta el aislamientoen la definición de la máxima sobretensión probable.

'.


Derivando a la relación 21.16 se obtiene la llamada [unción de densidad

probabilística

-

I

---L

].e-(1/2) .z2

Po- ~ (21.22)

cuya interpretación física es la siguiente: la probabilidad de que una cantidadU denote valores comprendidos entre U I Y U 1 + dU está dada por el produc-to Po . dz para el valor correspondiente de la abscisa z 1 y el in tervalo dz.

Si se integra desde - 00 a ZI se obtiene el área debajo de la curva ([igura21. 7) de Po, la cual suministra la probabilidad de que todas las cantidadespor debajo del valor DI (ZI) ocurran. Si se grafican los valores obtenidos de laintegración se obtiene de nuevo la distribución de frecuencias o función de laprobabilidad acumulada. La integral desde - 00 a + 00 representa la unidad,con lo cual se tiene la seguridad de que .todos los valoi'es posibles están in-cluidos.

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I I

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2 3-3 oz

Figura 21. 7 Función de densidad probabilística.

Aislamientos combinados

Es común encontrar en la práctica que una gran cantidad de equipos, talescomo transformadores de potencia, rCactores, ete., constan de un aislamientoautorrestaurable combinado con uno o varios no autorrestaurables. Para ellos

no se aplica entonces el procedimiento ya conocido, y resulta interesanteanalizar lo que presCriben las normas al respecto.

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A islarn ien tos autorrestaurables 815

Las normas americanas ANSl, por ejemplo, exigen en estos casos la

aplicación de tres impulsos con un valor que soporte el aislamiento. Si éstesoporta los tres impulsos, ekaislami'ento pasa la prueba, pero si ocurren dos otres descargas el aislamiento no pasa la prueba. En: caso de que sólo sucedauna descarga en el aislamiento autorrestaurable, la misma norma exige enton-ces una serie adicional de tres impulsos sin que se efectúe ninguna descarga.

A continuación se calcula la probabilidad qs de que el aislamiento so-

port'e la prueba (subíndice s) en función de la probabilidad de soportar cada

aplicación del impulso por separado, a la cual se denominará q (sin subín-dice). En la tabla 21. 2 se indican las probabilidades combinadas de los cuatro

posibles eventos satisfactorios. La letra S alude a que el aislamiento soportala aplicación del impulso mientras que la letra F denota una falla en el mismo,con lo cual el aislamiento no pasa la prueba. La probabilidad de que ocurrauna descarga está dada p al' la expresión 21.18:

q=l-p (21.18)

La probabilidad global de pasar toda la prueba es la suma de las probabilida-des de todos los eventos satisfactorios

qs = q3 + 3 (1 - q)q5 (21.23 )

La figura 21. 8 ilustra la dependencia de qs en función de q y muestra

que para q = 90% el valor de qs asciende a 92%.Puede apreciarse que este enfoque no es severo para equipos de impor-

tancia. La lEC ha propuesto en sus enmiendas a la Publicación 60 la realiza-ción de ensayos con 15 impulsos, permitiendo dos descargas. En la misma

ilustración 21.8 se comparan las curvas de la lEC y de ANSl, donde resalta lamayor severidad de la primera.

TABLA 21.2

Evento Pro babilidad

s - S- SF-S-S...S-S-SS-F-S...S-S-SS-S-F...S-S-S

q3

(1 - q)q5

q(1 - q)q4

q2 (1 - q)q3

Conclusión

En los subcapÍlUlos anteriores se ha puesto de manifiesto la importancia dela distribución gaussiana. En el próximo se utilizará este criterio en la estima-

ciÓn del riesgo al cual se expone el aislantc.

"..-",._",,-,"-',' '" " "¡"'M "' ,1.-

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..,l.

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99

qs(%195

80

50

20

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199 9590 70 50 30 20- q(%¡

Figura 21.8 Probabilidad Ps depasar la prueba si la probabilidad

de que el objeto en cuestión paseo soporte un solo impulso vienedada por q.

La desviación esrándar o típica (a) es una medida de la dispersión de losdatos obtenidos. De acuerdo con esta distribu,ción, si se lleva a cabo una gran

cantidad de mediciones, generalmente se observará que la mayoría de ellas seencuentra alrededor de la media aritmética. La distribución normal o gaussia-

na, por consiguiente (figura 21.9), suministra la distribución teórica alrededorde la media aritmética, suponiendo que el número de valores en la distribu-ción tiende hacia infinito. Su expresión analítica está dada por la relación21.16 o también

Y= 1 2

yI21r .e-x /2(21.24)

Una importante característica de la desviación estándar es que, en casode una distribución normal o gaussiana, aproximadamente el 68% de los va-lores se encuentran en el intervalo señalado en la figura 21. 9 ex - a a x + a),donde x es la medida aritmética.

21.2.1.3 Estimación del riesgo

Para el aislamiento externo, caracterizado por ser autorrestaurable, se puedeestimar el riesgo al cual se ve expuesto al realizar, por ejemplo, maniobras en

el sistema. Por supuesto que el riesgo en cuestión depende del nivel básico de

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Aislamientos autorrestaurables 817

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x

-u +u

x~o

Figura 21.9 Curva característica .de ladistribución normal.

aislamiento y de las sobretensiones que ocurran a causa de la maniobra, am-bos obedeciendo un;} distribución probabilística. .

A continuación se analiza el riesgo para una configuración cualquiera

con el aire como aislante, pero haciendo referencia a valores normativos de la

tensión, dados por

úv-

UYmáx.(21.25)

Si el aislante en cuestión se ve sometido a una sobretensión de referen-

cIa en el intervalo v' y v' + Llv, entonces la probabilidad de que se suscite

una descarga estará dada por el producTo de su frecuencia Pk (v'). Llv y la

posibilidad, también probable, que no ocurra ninguna ruptura, PD (v'), segúnse ilustra en la figura 21.1 O.

Es decir, la probabilidad de descarga está dada por el siguiente producto:

LlRI =PD(v')'pdv')'Llv = PD(v')'LlPk(v') (21.26)

En vista de que hay desplazamiento dentro de un intervalo de tensión,limitado Por k . y k . , el riesgo total de descar ga debe extenderse a la

m m m axsumatoria de la relación anterior

R¡ =~LlR¡ =~PD(V')'pdv')'Llv=1:PD(v')'LlPk(V') (21.27)

En la figura 21.10 PD (v) representa la distribución de probabilidadesde la tensión de descarga, que conduce a una ruptUra del medio aislante,

"'. ,"'"..."

818 La (oOl'dil1ación del aislamiento

100

%

50

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v=u/UAm

v' +.:lv

kn)ínk ,

max

Figura 21.10 Estimacién del riesgo de descarga.

Pk (v) : distribución de las sobretensiones, fun-ción de densidad.

distribución de la probabilidad de des-carga por sobretensió~. .

PD (v) :

mientras que Pk (v) 'a la distribución de las sobretensiones, es decir, a la den-sidad de probabilidad. Ambas magnitUdes se pueden aproximar, con bastanteexactitud, con la ayuda de la distribución normal o gaussiana, lo que permite,integrando la expresión 21.17, determinar el riesgo de ruptura en forma cerrada,

R¡ = f PD (v')'pdv")'dv (2] .28)

Considerando que ambas distribuciones son independientes la una de laotra, el riesgo de ruptura o descarga se estima matemáticamente fijando unpunto de referencia (figura 21.] O) Y las desviaciones típicas correspondien-tes. La lEC ha fijado para la distribución de las sobretensiones la magnitud

Uk2 con un valor de 2% (sobretensión estadística) y la tensión de descarga

con uD 10 con un valor de ] 0% (tensión estadística de impulso sostenido). Larelación entre ambas

UD 10'Yestad. ---;---

uk2(2] .29)

se denomina nivel de seguridad estadístico. En la figura 2] .11 se ilustra elriesgo en función del nwel de seguridad I"'~tadístico para diferentes valores dela desviación estándar o típica, comenzando con 10% Y con una truncaciÓnen 3a k de la distribución. Como valor máximo para la sobretensión de ma-niobra se estipuló

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Figura 21.11 Riesgo de ruptura de un aislamien-to dado en [unción del nivel de seguridad esta-

dístico y de la desviación típica de la sobreten-

sión de descarga aD' La desviación típica de ladistribución de las sobretensiones es a k = 10%.La distribución se trunca o mutila en 3ak'

Llk , =úk "( 1 + 3a )m ax 50 k

En vista de queúk implica una sobretensión con 50% de Probabilidad50

de ruptUra y ak considera la desviación estándar o típica, se obtiene para lasobretcnsión estadística

Uk2 =úkso"(1 + 2,05ak)

mientras que para la tensiÓn estadística de impulso sostenido

ÚD 10 = ÚD 50"(1 - 1.3aD)

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(21.30)

(2.1.31)

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donde UD50 es la tensión 50% de disruptiva y a D su desviación típica oestándar.

Ejemplo: Energización de una línea de transmisión de 420 kV con inte-rruptores de potencia sin resistencias de prcinserción.

El factor de sobretensión estadístico contra tierra sea

k2 = 2.40

lo que suministra un valor absoluto de

Úk = 2.40 X Dy = 2.40 X 343 = 823 kV2 máx

Ante una sobretensión estadística de ruptura de los aisladores a la in-temperie de uD = 950 kV el nivel de seguridad estadístico asciende a10

UD'Yestad. =~ 950

Úk2 = 823 = 1.]5

Si la desviación están dar de las sobretensiones eS,(Jk = ] 0% y la de las sobre-tensiones de ruptUra a D = 8%, la figura 21.] 1 suministra ún riesgo de descar-ga para uno de los aisladores de

R 1 ~ 2.5 X 10-4

Si se considera que en 1/3 de una línea de 300 km aproximadamente200 aisladores por polo se ven sometidos a los esfuerzos de la misma sobre-tensión de maniobra, el riesgo total adquiere la siguiente forma:

Rn -= n. R 1 = 2 ÓO X 2.5 X 10-4 = 5 X 10-2

Lo anterior representa que en caso de 100 operaciones de maniobra, es decir,100 sobretensiones homónimas, se deben esperar bajo las condiciones supues-tas 5 descargas por polo.

21.3 AISLAMIENTOS NO AUTORREST AURABLES

Estos se refieren, segúfII se mencionó al comienzo del presente capítulo, a losequipos mayores. Como es de suponer, estos aislamientos no se puedenexponer a los ensayos de fundamento estadístico, en vista de lo cual resultaimposible establecer una tensión estadística de ruptura. Para prevenir esta

I

21.4

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¡Pruebas o ensayos 821

sitUación, y con miras a obtener información confiable sobre el comporta-miento fu turo del equipo, se suelen realizar ensayos de acuerdo con diferentesnormas, aplicándole un número reducido de impulsos, de maniobra o atmos-féricos.

Es importante destacar que el hecho de que un equipo cualquiera pasesatisfactoriamente las pruebas no proporciona información alguna sobre su

rigidez probabilística. Además, se considera que un equipo similar, que proce-da del mismo fabricante, se comportará en servicio de la misma manera queuno que haya pasado satisfactoriamente las pruebas en cuestión.

Los aislamientos no restaurables, por lo tanto, se someten a pruebasminuciosas durante el proceso de fabricación, tratando de establecer el com-

portamiento dieléctrico de cada pieza y componente, de manera que laprueba final, de aceptación, no tropiece con mayores dificultades, pues enella se verifica el comportamiento de todo el conjunto. Algunos fabricantes

sí aplican métodos estadísticos en los ensayos de los componentes individua-les, cuya cantidad con frecuencia se presta para ello.

En relación con esta clasificación de los aislamientos es interesante

destacar que a los interruptores de potencia, a pesar de tener piezas y compo-nentes internos que pertenecen al dominio de los aislamientos no autorres-

taurables, se les considera esencialmente autorrestaurables, ya que primero

ocurre la descarga (a través del aire o a lo largo de la superficie de porcelana)antes que la perforación (daño permanente en el aislante sólido). Los cables seencuentran en el grupo de los aislamientos no autorrestaurables y esto haconducido a una polémica sobre si las barras aisladas en SF 6 son autorrestau-

rabIes o no. En realidad una descarga dentro de un encapsulamiento en SF 6

altera la superficie metálica del mismo, con lo cual la rigidez dieléctrica se veinfluenciada, pero el aislante (S F6) como tal recupera sus propiedades. Sería

mu y provechoso que la lEC se pronunciara en un futUro cercano sobre qué

tipo de aislamiento, autorrestaurable o no, viene dado por el SF 6, según elcaso.

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21.4 PRUEBAS O ENSAYOS

Las pruebas a las que se somete al aislamiento tienen fundamentalmente dosfinalidades, las que bien podrían estar correlacionadas entre sí. Una sería ve-

rificar las condiciones en que se encuentra el aislamiento y determinar la

rigidez dieléctrica del mismo, haciendo resaltar lo anormal de su comporta-miento, y la otra consistiría en determinar simplemente si un equipo cumplecon una rigidez dieléctrica determinada, como suele advertirse en muchas

especificaciones para la adquisición del mismo.

Al referirse a pruebas resulta primordial definir si el aislamiento es exter-

no o intemo. Algunas nonnas, entre ellas ANSI C92.1., diferencian al "1,¡

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822 I.a roorllinarián dd aislamiento

. Aislamiento ex temo, dado por las distancias ell el aire abierto a tra-vés de las superficies de los aislante s sólidos en contacto con el mis-mo, del

. Aislamiento interno, caracterizado por aislantes sólidos, líquidos. ogaseosos, incluidos en un recipiente, generalmente metálico, que los

protege del aire y sus variaciones de acuerdo con las condiciones am-bientales.

En vista de que el aire cambia sus propiedades de acuerdo con las condi-ciones ambientales, tales' como presión, humedad, temperatura, cte., es

menester llevar a cabo, al comparar resultados, una corrección de los valoresobtenidos, como se verá a continuación.

Para demostrar qu~ un aislamiento determinado cumple con ciertascaracterísticas, se le expone a las pruebas que se citan en seguida:

Tensión a frecuencia de régimen

Esta prueba consiste en aplicar al objeto en cuestión de ensayo una tensiónsostenida, 11al.lada también de régimen, pues es la misma que en su depen-

dencia respecto al tiempo (50,60 Hz, etc.) verá el equipo en condiciones no-minales de operación, pero con valores mayores para la tensión (hasta tresveces la tensión de fase.)

Esta prueba ha, sido muy criticada debido a su falta de veracidad, ya que

resulta casi imposible que un equipo se vea solicitado por una tensión a fre-cuencia industrial que denote 'dos o tres veces el valor de la tensión de fase,

para la cual ha sido diseñado nominalmente. En su favor se argumenta que esuna prueba relativamente sencilla, fácil de llevar a cabo, que arroja luz sobreel futuro comportamiento del equipo.

En el rango de extra y ultra alta tensión, motivo de esta obra, no se per-miten los márgenes de variación estipulados en algunas de las normas, motivopor el cual este tipo de prueba está siendo reemplazado por impulsos corres-pondientes a las sobretensiones de maniobra (figura 2].]). La lEC, entreotras, se ha hecho eco de esta tendencia en sus últimas recomendaciones.

Impulso atmosférico (rayos)

Al objeto en cuestión de ensayo se le aplica una serie de impulsos (figura21.1a) de amplitud variable, para así poder determinar si el aislamientoresiste las descargas atmosféricas que afectan,1a zona donde será instalado el. .

eqUlp o.Este tipo de ensayo puede ser de natUraleza probabilística, de manera

que se determine la rigidez dieléctrica del aislamiento, tal como se hace enlos laboratorios de alta tensión, o también puede ser un ensayo de verifica-ción de ciertas propiedades del aislamiento. En este último se incluirían las

denominadas ondas cortadas (chopped waves) en el frente y en la cola.

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Pruebas o ensayos 823

Impulso de maniobra

Como ya se mencionó anteriormente, antes de que los primeros sistemas de500 y más kilovoltios entraran en servicio, el aislamiento se sometía a prue-

bas con impulsos atmosféricos (rayos). En la Unión Soviética se reconociórápidamente que el impulso causado por una maniobra en el sistema, dando

origen a sobretensiones de igual nombre (figura 21.1 b), conducía en el aire adescargas en configuraciones electródicas que hab{an sido diseñadas para so-portar impulsos atmosféricos.

La discrepancia señalada se ilustra en la figura 2 L 12 Y se observa que larigidez dieléctrica del aire, ante impulso de maniobra, es inferior a la del im-pulso atmosférico. El diseño de las estructUras metálicas de las torres, pórti-cos, etc., se ha visto fuertemente influenciado por la sobretensión de maniobraen los sistemas de 500 y más kV.

La prueba o ensayo con este tipo de impulso consiste en aplicar al ob-jeto en cuestión una determinada cantidad de impactos, con miras a determi-nar sus propiedades dieléctricas ante este tipo de solicitación.

~~I1""",,"

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Niveles básicos de aislamiento

Las pruebas anteriores permiten establecer dos niveles básicos de aislamien-to, uno ante impulso atmosférico (basic lightning impulse insulation level,

1200

800

400

separación a (metros)

-or -' I I --1-

O 2 4 6 3 10

Figura 21.12 Co¡nparaqión simplificada de la rigi

dez del aire ante impulso atmosférico (lA) contn

impulso de maniobra (1M).

Ict:¡ ~.N

2400I

Ud(kV)

2000 t:.-

11600 I

824 La coordinaCión del aislamiento

BIL) y otro ante impulso de maniobra (basic switching impulse insulationlevel, BSL). Pero en vista de que se clasificaron los aislamientos en dos gran-

des grupos, autorrestaurables y no autorrestaurables, se diferencian ademáslos niveles básicos de aislamientO estadísticos (para los aislamientos auto-rrestaurables) y los convencionales (para ,los aislamientos no aUtorrestaura-

bles), a saber:

. Nivel bász"co de az"slamiento estadistico: Valor de cresta de un impul-

so atmosférico (1.2/50) o de maniobra (250/2,500), para el cual elaislamiento denota 90% de probabilidades de soportar la prueba o10% de fallar duran te ésta.

. Nz'velbász'code aislamiento convencional: Valor de cresta de un' im-pulso típico o estándar que el aislamiento soporta sin ruptura y sinexhibir daños pennanentes al ser expuesto a dicho impulso un númerodeterminado de veces.

Para los aislamientos autorrestaurablcs los niveles básicos de aislamiento

ante impulso y maniobra se pueden' expresar a través de la siguiente relación(ver 21.2.1.2)

BIL ó SIL = Ud - 1. 28(0 d) (21.32)

lo cual corresponde al ] 0% de la probabilidad de ruptura o 90% de soporteal esfuerzo.

21.4.1 Procedimientos de ensayo

Las diferentes nonnas contemplan la ejecución de una gran cantidad de ensa-

yos, que por razones obvias no pueden ser todos tratados aquí, en vista de locual sólo se enumerarán los más conocidos de ellos para los aislamientosau torrestaurab les.

. Procedimz'ento 2/15. Es reconocido internacionalmentc y consiste enaplicarle al objeto en cuestión de ensayo 15 impulsos (de maniobra oatmosféricos). Si éste falla ante uno o dos impulsos pasa satisfactoria-mente la prueba, de lo contrario no. ,

. Procedz'miento 3 + 3. Se aplican tres impulsos (de maniobra o atmos-féricos), si 2 o 3 de ellos conducen a una ruptura, el objeto en cues-tión de ensayo no pasa la prueba. Si ninguno conduce a la ruptura elobjeto pasa satisfactoriamente la prueba, pero si uno de ellos condu-ce a la ruptura, es necesario aplicarle al objeto tres nuevos impulsos,de los cuales ninguno debe conducir a la ruptura del medio para que

el objeto pase satisfactoriamente la prueba.En ambos procedimientos el valor cresta del impulso que se aplica

debe ser igual al nivel básico de aislamiento ante impulso atmosférico(BIL) o ante impulso de maniobra (BSL), según el caso.

I

¡I

I

I

¡~¡II,¡

Pruebas

.

l

prueb,

y un Irupturcresta

cuales. ,

Slon,,gún la

ImpulSt

'val!

91101lO!10'

919:91

L

21.13 )recta rhover ¡

ar!U.C4

distribt

:ientoPruebas o ensayos

tionLos mismos procedimientos se pueden aplicar también para im-

pulsos cortados en el tiempo de formación de cresta o semiamplitud,según se desee en la norma correspondiente. Para interruptores depotencia, por ejemplo, el valor de cresta del impulso cortado puedeser 1.29 veces el BIL para un corte otruncación a los 2 J.LS,o también1.15 veces el BIL para una truncación de los 3 J.LS.Para transformadores

de potencia de más de 345 kV los valores podrían ser 1.10 veces elBIL y truncación a los 3 ps, ete. Para niveles básicos de aislamientoante impulso inferiores a los 1,1 75 kV la truncación puede ocurrirdurante el tiempo de formación de cresta (menos de 1.2 J.Ls).La trun-cación trata de simular en el laboratOrio el corte que los llamadoscuernos de coordinación le confieren a la onda (ver subcapítulo 17.2,explosores).

r-an-~másuto-lura-

tpul-lal elba o

1 1m-

( S111

nero

ento

ción

. Procedimiento jJTObabilístico. Este ya fue explicado en el apartado21.2.1.2., correspondiente a la distribución gaussiana, motivo por elcual sólo se ilustra a través del siguiente ejemplo:

.32)Un aislador de soporte se somete en un laboratorio de alta tensión a

pruebas ante impulso de maniobra (250/2,500) con un valor cresta de 900 kV

y un número total de disparos igual a 100, de los cuales dos conducen a laruptura del aire (aislamiento au torrestaurable). Luego se incrementa el valorcresta del impulso a 1,000 kV y se aplican 40 impulsos de nuevo, 20 de loscuales conllevan a la ruptura del medio. Luego se aumenta o disminuye la ten-sión, aplicándole al objeto en cuestión de ensayo impulsos adicionales, se-

gún la siguiente tabla:

¡orte

~nsa-:le lontos

e enIra o)na-

nos-:ues-a el

rldu-

[so s,

queLos resultados obtenidos se grafican en papel de probabilidades (figura

21.13) y en un plano lineal (figura 21.14). En el primero se obtiene la línea

recta representativa de la tensión crítica de descarga o ruptura (critical/las-hover voltage) caracterizada por su valor medio y el coeficiente de variaciónadU.

Como se sabe, estas dos magnitudes describen satisfactoriamente la

distribución de la descarga, considerando una distribución normal e gaussia-

)licaneo

~""',c¡ """ , ,,¡;¡,#

825

;j"1<

-U-, ,.'---T '

i Impulso aplicado (k V) No. de disparos No. de descargas %de descargas'valor cresta

900 100 2 2.01000 40 20 50.01050 40 33 82.51075 100 93 93.0

960 40 7 17.5980 40 16 40.0960 40 10 25.0

La roordinación del aislamiento

0.05 02 0.5 1 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 93 99

No. de descargas (%) , ..

5

Figura 21.13 Distribución de la rigidez (o también tensión crítica de ruptu-ra) en papel probabilístico gaussiano.

nao Esto quiere decir que la distribución de la rigidez obedece a la distribuciónacumulativa y sus ecuaciones pertinentes, pero sin que se afirme que la des-carga en sí sea una distribución acumulativa.

En otras palabras, para evitar confusiones no se afirma que la probabili-dad de falla sea igualo inferior a 50% para], 000 kV tensión de ruptura odescarga. Las ecuaciones correspondientes serían

P(descarga a 1,000 kV) = 0.50 correcto

P(Ud ~ 1,000 kV) = 0.50 incorrecto

1000 1100 1200- Tensión aplicada (Kv)

valor de cresta'

Figura 21.14 Representación del mismo

caso anterior, pero en una escala lineal.

826

1100

- r 1000>=-co"cou

C.900co

-o'"Q)1-

800

./V

...¿í -V I

¡.L=Ud = 1000 kV V a =50kV

- - /' I- -- - - - 71./' I

J

/' V I .!L =--5%

./,/' I

Ud

./ I

./'V I

/' II

,," II

- 100

'"co80rou'"

Q)"Q) 60"oz

40

20

o900

Pruebas!i

1j1

rigid eL¡ .I norma

jpues ¡:

í desearJ

debajcI,puede.1

iJmo se

I PI¡ mació'11¡ mas al¡

objetolanciaJ

Efuncióconfiaj

de 50'

alla o Icfcctú

F

bra, pt[

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Utiliza"laCIOr

AmaniolcrÍ tica

Ilo con 1

S¡puedera la rutensiór

I dos.IJ MétodjI

i Este 111

I

choque

iento

,¡¡

j

JJ!

iónles-

ili-l o

Pruebas (J f'nsayos827

Lo que puede ser cuestionado es que se suponga una distribución de la

rigidez sin límites definidos, a la izquierda y a la derecha de la distribuciónnormal, comprendida ésta'ientre +-00 y - oo. Esto, obviamente, no es cierto,

pues para una tensión igual a cero no puede existir una probabilidad finita dedescarga. La asunción correcta es que en los límites de interés (40 a 50 por

debajo de la tensión crítica de ruptura, Ud) la distribución de la tensión sepuede aproximar con la ayuda del comportamiento normal o gaussiano, co-mo se observa con frecuencia para el aire como aislamiento autorrestaurable.

Para los aislamientos no autorrestaurables se observa una mejor aproxi-mación con la distribución de Weibull o del Valor extremo, que se tratará

más adelante. Es de señalar, no obstante, que después de cada ruptura el

objeto en cuestión de ensayo tiene que ser reemplazado, lo que encarece sus-tancialmente este tipo de ensayo para los aislamientos en cuestión.

El número de disparos correspondiente a cada valor de la tensiÓn es unafunción del porcentaje de descargas resultante. En vista de que el intervalo deconfianza para un punto con 2% de probabilidad es mucho menos que el

de 50% para 100 disparos, el número de los mismos para una probabilidad

alta o baja será mayor en el rango de 35 a 65% (figura 21.9). Por esta razón secf ectúan de 2 O a 40 disparos en el rango de 35 a 65% y 100 fuera del m ¡smo.

El procedimiento descrito se aplica para pruebas de impulso de manio-

bra, pero también para algunos casos particulares con impulso atmosférico.Dentro de los procedimientos p,robabilísticos destacan los siguientes

métodos:

o,,'

"Up and Down"

Utilizado en la determinación de la tensión crítica de ruptura y no de la des-

viación eSLlndar o típica, pues resulta menos oneroso.Al objeto en cuestión de ensayo se le aplica un impulso de tensión de

maniobra cu yo valor de cresta se aproxime, mediante estimación, a la tensióncrítica de ruptura. Si ocurre una descarga la tensión se disminuye en 3%, delo contrario, se incrementa en el mismo porcentaje, de allí el nombre.

Si se mantiene este procedimiento por espacio de 20 a 50 disparos, sepueden descartar todos los valores hasta que ocurra un disparo que conduzcaa la ruptura o descarga y otro que pueda ser soportado por el aislamiento. Latensión crítica de ruptUra es entonces el valor medio de los impulsos aplica-dos.

Método lEC

Este método es sugerido por la lEC en la determinación de la tensión 50% dechoque disruptiva. contenida en la siguiente fórmula:

UH90 = Uso (1 - 1.30 . a) = 0.92 (Uso) (21.33 )

'''.~'.'~ ~ ", .......- , ,-._~ "..,,,.,-,,¡¡)¡

-- n- -- ------- -_uu


donde se consideró un valor a = 0.06. En efecto, aplicando 20 impulsose incrementando la tensión en escalones de 3% se determina la probabilidadde descarga. El valor correspondiente al 50% se obtiene por extrapolación delos puntos obtenidos para la curva.

La lEC también sugiere la aplicación del método Up and Down, para locual la tensión, en caso de que el aislamiento la soporte, se incrementa en elporcentaje dado por la desviación típica o estándar, hasta que suceda unadescarga. Luego la tensión disminuye de la misma manerá, hasta que el aisla-miento soporte un impulso sin descarga. Con un promedio de 3 O a 40 im-

pulsos, la tensión 50% de c~oque disruptiva se determina con la ayuda de

L nv .Uv

Uso%- '''v(21.34)

donde

Uso% es la tensión de descarga, para la cual la mitad de los impulsosaplicados conducen a una ruptura del medio.es el incremento de tensión que se aplica en forma escalonada.

es el número de impulsos.Uvnv

Este mismo procedimiento, con una ligera modificación, puede ser'uti-

lizado en la determinación de un punto inferior de la curva de probabilidad.

Considérese, por ejemplo, la siguiente serie de pruebas a base de cuatrodisparos cada una (la letra R indica ruptUra del medio, mientras que la S lo

contrario, es decir, el aislamiento soporta el impacto):

1. Se aplican los cuatro impactos, y si el aislamiento los soporta todos(SSSS) el valor de la tensión se incrementa en 3%.

2. Si con el nuevo valor de la tensión acontece una descarga, se dismi-

nuye rápidamente su valor en 3%, es decir, cuando ocurra R, SR,SSR o SSSR.

3. El procedimiento continúa para una serie de 50 a 100 disparos.

La probabilidad de incrementar la tensión es (1 - p)4, donde p es laprobabilidad de descarga a la tensión específica aplicada. Para una cantidad

apreciable de series a base de cuatro disparos se tiene

(1-p)4=0.5 y p=16

Esto quiere decir que la tensión media aplicada representa una probabi-lidad de 16%.

Método BBC

Se expone en vista de que, le ha dado excelentes resMltados a la Brown

Boveri por espacio de muchos años. Consiste en determinar la tensión que so-

¡I

jI

IIiIj

Prueb,

portaSe a~inferítabla

ChOql

dandi

P(Xo) !

J.l

e

t(

(a e

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"1

J,¡!

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ma¡la-

Im-

.4)

os

ti-

d.

rolo

)s

1-,"

a

d

1-

[l

Pruebas o ensayos

pona el aislamienTo midiendo sólo una probabilidad de ruptUra o descarga.Se asume una distribución gaussiana y se aplican 40 disparos en el rangoinferior de la tensión de descarga. Leyendo el factor de probabilidad de la

tabla 21. 2 (curva gaussiana) la tensión que soporta d aislamiento y el 50% dechoque disrup tivo se determinan con la ayuda de

U,%=u.[J-a.

k - k

]

Pl P

1 - a. kp(21.35)

donde

PPl

k y kp 1Pa

Probabilidad de ruptura (medida).Prescribe el riesgo de ruptura.Factores de la funciÓn de distribución (tabla 21.2).

Es la desviaciÓn están dar (6% valor generalizado para todas

las pruebas con impulso de maniobra).Tensión estadística de impulso que sopona el aislamienTo.

I

Us

P(Xo) es la probabil idad de descar-ga al apl ícar una lensión

XO=..u-k'u

.u es el valor medio, es decir,

el valor para el cual la mi-

lad de los impulsos condu-cen a una rupTUra del medio

(.u =. U.. 0/01

es la desviación eSlándar

(abscisa del pu mo de in-

flexión de la curva gau-ssiana) .

a

P(Xo)

En vista de que el área 101al

debajo de la curva es 1(100%, el porcentaje de

probabil idad se obtiene pa-ra una desviación de k'u del

valor medio .u con la ayudade la construcción señala-da.

_x

.u + 2a J.l.+ 3a.u-2a i.u-1a J.l.+ 1aIII11,I1,IIIII

.u- 3u% J.l.

II

I

iI,I,,I1I

- - --- - - - - - - --- - - -- - _.1

0.01_-

2.3

I1

: Xo,

15.9

50

84.1 ...-- - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - -

97.7+ -- ----------

99.9 ~ - - - - - --- -_o-- _.- - - -- - - -- - ---

Figura 21.15 i\létodo de la BBC. Distribución estándar

y construcción de la probabilidad de descarga.

.< "" ",~~..,¡;,.' .,1;1~.':

829

tI:1

[1

'),j:J

,.,¡,

,11

i

I

~

830 1.11(()()rdino(/,ín del aislamiento

T AB LA 2 1 :.;

p,p}

k, kPl

0.10 0.50 1.00 2.50 5.00 10 20 10 40 50 60 70 803.09 2.57 2.33 1.96 1.64 1.28 0.84 0.52 0.25 O -0.25 ~0.52 -0.84

Ejem.plo: La probabilidad de descarga sc<;P = 30%,entonces

[

1.20-0.52

IU90% = Us 1- 0.06' 1- 0.06(0.52) =Us(0.95)

Es decir, para una trr:sión J:.--95% el riesg¡) de falla í>°sible es ] 0%, según sepuede <~justar durante los ensayos.

Curvas de atraso (característica de choque)

Entre las otras alternativas quc existen para prácticamciltc los mismos fines,se tienen las denominadas curvas de atraso (Time lag curves). Éstas permitenapreciar el comportamiento del aislamiento ante sobretensiones de muy cor-ta duración, con lo cual quedan bajo el dominio exclusivo de las sobreten-siones atm osféricas (1 ~,2/5 O).

A pesar de que sólo se consideran aislamientos autorrestaurables, esposible también su aplicación en el caso de aislami<;ntos no aUtorresraurables~si bien en un número muy limitado. .

El procedimiento consiste en :tpiicarle al objeto en cuesrión de ensayo,

por ejemplo un aislador de soporte, una serie de impulsos atmosféricos. Si elprimero de ellos no conduce a una ruptUra del medio, se incrementa la ten-siÚn hasta que ocurra una descarga y se registra el tiempo para el cual la Olidase ve conada. Esto sucede generalmente para cualquier valor en el tiempo de

semiamplitUd o cola, si el valor de la tensión de cresta del impulso no es muyelevado; de lo contrario, la truncación sucede en el tiempo de [ormaciÚn de

la misma cresta, según se indica en la tabla de la figura 21.16. En ésta la pri-mera descarga ocurre para un tiempo de 16 /lS y un valor de cresta de 800 kV.

Puede apreciarse que existe un punto crítico entre la tensión de ruptUra

y la que puede soportar el aislamiento, la que se qenomina tensión crítica deruptUra (en este caso comprendida entre 790 y 800 kV). Si se llevan a cabomuchas mediciones la dispersión disminuye.

En las normas alemanas (VDE) la curva dada por la figura 2].] 6 se

denomina caracteristica de choque y es de suma importancia en el comporta-miento dieléctrico de los campos no homogéneos, donde el mecanismo deruptura requiere de un tiempo de formación mayor hasta que salte la chispa.

Esta característica juega un papel igualmente imponante en la coordina-ciÓn del aislamiento de los diferentes equipos y debería encontrarse siemprepor encima de la característica de choque de los dispositivos de protecciÓn.Se observa que mientras más pronunciado es el impulso mutilado, mayor re-sulta el valor de la tensiÓn en cuestión (figura 21.16).

II¡I

,/.1

I1,

¡I!I

l'1!Ii

I

j¡ Campo

21.5

El aireen las

que loSISlem:curren

E

mcremconsee

obteni

1íp icas

tiento

80

.84

.95)

n se

nes,itencor-ren-

, es

.les,

.yo,~ i elen-ldade

IUYde

)fj-

v.Ha

de

bo

seta-de

l.lfl-

re

n.

'e-

Comportamiento deL aire

Ud=f(t)

x1x

82 16 324

- t(j.1s)

Figura 21.16 Característica de choque de un aisladorde soporte sometido a los impactos indicados en latabla de abajo. Los valores señalados con una x en eleje vertical de referencia corresponden a ondas plenas(sin mutilación en sus desarrollos).

Valor de cresta (k V) Tiempo de ruptura (¡.1s)

700780

800

1,0001,200

1,5502,050

sin ruptura

sin ruptura16

4

21

0.5

21.5 COMPORTAI\lIENTO DEL AIRE

El aire es, sin lugar él dudas. el mÚs usado de los aislames (capÍndo 3). Sóloen las subesraciones eléctricas se est<l \'iendo desplazado por el S F6, mientras

que los cables subTcrráneos no han logrado peneuar comercialmeme en los. 'siSTemas de extra y ulrra alId lensÍ('):l. Es entonces en el medio aire donde o-curren las descargas elécnicas.

En vista de que el aire puede alterar sus propiedades, por ejemplo a]incrementarse la alTUra sobre el ni\'el del mar disminuye la densidad, y en

consecuencia rambién su rigidez dieJé'crrica, es cOl1\'eniente referir los valoresobTenidos en los laboratorios y en el campo a las condiciones esrándar ()

típicas que se cxponen a continuaci¡'m de acuerdo con la lEC Pub!. GO.l:

----"*""",,

831

: '1', .".".. .. '., ¡, ~J

..,

2000

1800

1600

1200 1

1000

1 Ue80C i

(kV)

60C

L5


o

~

0.2

-10 o'O 3000 4000 5000

H (meHos)1000 2000

Figura 21.17 Dependencia de la densidad relativa del airerespecto a la altura sobre el nivel del mar, donde

d!do = densidad relativa del aire (curva 1)b/bo = presión relativa, t = temperatura (curvas 2 y 3)

Al aumentar la altura, como puede apreciarse, disminuye ladensidad relativa del aire y en consecuencia su rigidez die-léctrica. A 1,000 m sobre el nivel' del mar existe ya una

pérdida de aislamiento de aproximadamente 9%, la cual ge-neralmente no se considera. Para alturas mayores a los 1,000m es menester, sin embargo, llevar a cabo las corrientes derigor, dadas por

d 273 + lo

273+t

b- --do bo'

según se ilustra en la figura. Otros autores utilizan factoresde corrección equivalentes.

TemperaIUra to = 20°ePresión bo = 1,013 mbar, 101.3 kPa Ó 760 mmHgHumedad relativaho = 11 grs/m3

(21.36)

El subíndice o se refiere a las condiciones estándar o típicas, las cuales

se usarán posteriormeme. La humedad relativa se refiere al valor estándar, elcual denota 11 gramos de vapor de agua p6r cada metro cúbico de aire.

Densidad relativa

Esta, como ya se mencionó, disminuye al aumentar la alIUra sobre el nivel

del mar. La rigidez eléctrica del aire se ve entonces fuertemente influenciada,

'~ ,

;j

~

!

IIjI

¡I

iI

I

Ij

I¡!,

j

IIIJ'1;

;1

I

~

I!,¡j

- f -

CamlJo

en pala prcmente

propcperatl

Boylepresiépara t

de do

,'-

1

,'-

Al hal21.36

En viscálcul~donde

d b-.-do

lo0.8t

11;; 0.4

zto

(I

f

i\1!

Comportamiento del aire 833

en particular a partir de los 1,000 m de altUra, pues el gradienre eléctrico en

la proximidad de las partes energizadas (por ejemplo conductores) es directa-menre proporcional a la densidad rel~tiva. '

El comportamiento de la densidad relativa, que resulta ser directamente

proporcional a la presión atmosférica e inversamenre proporcional a la tem-peratura absoluta (d '" bit), puede ser analizado con la ayuda de la Ley deBoyle- Gay- Lussac, que esrablece para una masa de vapor: "el producto de lapresión por el volumen, dividido entre la temperatUra absoluta, es constantepara una misma masa". Es decir, en términos matemáticos

b °V boV~ =-= este.ro t

(21.37)

de donde se deduce que

Vo = V ° bOtot (21.38)

Siendo m la masa, la densidad está dada por

m

do = Vob

"

dm

o tam len =-y (21.39)

Para una misma masa de vapor o gas, se obtiene

Vo ° do =V (21.40)

SusritUyendo con ayuda de la expresión 21.38 se obtiene

d bor- = Q

do boot(21.41)

Al hacer referencia a los valores estándar o típicos, dados por la relación21.36, se obtiene

d:::¡ b(273 + 20)760(273 + t)

- 0,3855.b

273 + t(21.42)

En vista de que para cada altitUd se dispone de una presión barométrica, elcálculo o correcciÓn se puede simplificar con la ayuda de la figura 21.18,donde

'~:, ,;" t'" ~'1 '

k=1 + 1.25(10-4) H (en metros)

(21.43)

.>i¿"¡¡;'j¡(f,¡¡.

-- ""II!I!IUIIIII'Ul1t1l,"' -8IIfIIIIII! '''.,¡j

00.


1'°1k I

1°.81

0.6

0.4

0.2

o3000 4000

-H(m)

500020001000

Figura 21.18 Factor de corrección k para

alturas H superiores a los 1,000 m sobre elnivel del mar (ver relación 21.43).

Ejemplo: Un equipo se desea instalar a una almra sobre el nivel del marsuperior a los 1,000 m (por ejemplo 2,300 m) para que opere a una ten-sión nominal de 145 kV. De acuerdo con la lEC, las pruebas o ensayos

correspondientes para una altura inferior a 1,000 m deben hacerse conlos siguientes valores:

Impulso atmosférico 1.2/50

Tensión alterna (60 Hz), 1 min

650 kV

275 kV

El problema en cuestión puede resolverse de dos maneras diferentes,utilizando para ello lá curva de la figura 21.18.

. Alternativa 1. En vista de que se conoce la almra (2,300 m) se obtie-ne de la figUra 21.18 el factor de corrección correspondiente (k =0.86). Las tensiones de ensayos suministradas tienen entonces que serdivididas por este valor, a saber:

Impulso atmosféricoTensión alterna

650/0.86 = 757 kV275/0.86 ~320 kV

Estos serían los valores de ensayo que deberían contemplarse paralas pruebas en un laboratorio de alta tensión ubicado a menos de1,000 m de .altura sobre el nivel del mar( i).

I

,

f

1

l

,1

II

!I

~

,1

I

¡II

!

!

I

I,j,.

;

iI

Campor

.

(

clarse

plazacpenalilos vaEn tél

1

lo gerPastelsobre

rigide:

21.5.

La 111

lEC,la Ilu.estad

de qt

I

labannorm5 mr

ientoComportamiento del aire 835

. Alternativa 2. Se divide la tensión nominal emre el faClOr de correc-ciÓn, a saber,

145/0.86 = 168.5 kV

y se selecciona para el equipo en cuestión a 2,300 m de altura sobreel nivel del mar la tensión inmediata superior señalada por la lEC ensus n01mas, la cual en este caso sería 170 kV.

Es decir, el equipo tiene emonces que ser diseñado y sometido alas pruebas que demanda el nivel de 170 kV.

Con base en lo anteriormente expuesto ya través del ejemplo puede apre-ciarse que para diseñar correct'amente el aislamiento de un equipo que será em-plazado a una allUra superior a 1,000 m sobre el nivel del mar, es menesterpenalizar'los valores correspondiemes de la tensión. ESlO se logra dividiendolos valores estándar por el factOr que refleja la disminución de la densidad.En términos generales tiene validez entonces

Uestándar = UoU( H>1,000) densidad d (21.41)

marten-

Los valores indicados en los catálogos de los fabricantes se refieren por

lo general a las condiciones están dar (relación 21.36) y sin comaminación.Posteri01meme se verá que la comaminación, en particular la que se depositasobre los aisladores expuestos a la intemperie, disminuye considerablemente larigidez dielécrrica.

:yoscon

21. 5.1 Efecto de la lluvia y humedad

tes, La lluvia y la humedad del medio afectan también la rigidez dieléctrica. LalEC, por ejemplo, prescribe la ejecución de pruebas bajo los efectos de

la lluvia. Es por ello que se suelen indicar valores para la tensión de ensayo enestado seco (dry) y húmedo (wet).

Los ensayos bajo lluvia se ejecu tan entonces bajo la estricta observanciade que se cumplan los siguientes valores (según la lEC):

Itie-

k=ser

I

Precipitación

Resistividad del aguaDuración del ensayo

Q = 1 a 1.5 mm/min.p=100n°mt = 1 mino

:irade

Las pruebas bajo lluvia llevadas ameriormeme a cabo en Europa estipu-laban una tasa de precipitación mayor (Q = 3 mm/min), miemras que lasnormas americanas diferían sustancialmeme de los valores señalados (Q =5 mm/min, p = 178 n'm y t = 10 seg.). A pesar de esto no se registraba

'tIiiIItoMII ,~

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836 La coordznación del aislamiento

40

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I

2010 25 301535 DC

TemperatUra (bulbo seco)

Figura 21.19 Humedad absoluta del aire en función de las lecturas de un ter-mómetro de bulbo seco y húmedo (IEC-60).

FCH1.15

humedad

(grs/m3 )

1.10

1.05

1.00

0.95

0.90

0.85

Figura 21.20 Factor de corrección para la humedad enfunción de la humedad absolu 18. Para humedades com-

prendidas entre 5 a 20 grs/m3 se puede hacer uso de lasiguiente aproximación lineal: FCH = 1 - 0.00818(h - 11), la cual se ilustra en la figura como línea dis-continua.

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. (a) tensión alterna11 I, I\. I I I I I I I I I 11 I I...." I I I I I I I 11 I 1 I

:-.(b)¡,." /' impulso y continua

,0'- f- 5 '10 15;- - 20 - 25- 30

k'aproximación1..."

Comportamiento del aire

mucha diferencia en los resultados obtenidos. Hoy en día se le está dando pre-

ferencia a la recomendación ,ge la lEC y las pruebas bajo fuenes precipita-ciones han enuado en desuso. ,-.

Es importante destacar, sin emrar en mayores detalles, que las válvulasde inyección del agua, para simular la lluvia, también están normaÍizadas, al

igual que el ángulo de incidencia sobre el objew en cuestión de ensayo. Las

gOTas logran alterar la disuibución del campo elécuico en la superficie ex-puesta a la intemperie (por ejemplo en los transformadores de potencial, co-rrieme, etc.). La imensidad de conieme de fuga, que circula a uavés de lasuperficie húmeda, puede repercutir tambi¿n sobre la disuibución del campoinTerno. Como puede apreciarse, existen múltiples factores que, considera-dos en un plano secundario, pueden desempeñar un papel imponante en casode falla.

Existen ouas pruebas y ensayos, aún no conTemplados en las normas,que demandan la aplicación de una humedad (vapor de agua) crecieme sobreel objew en cuestión de ensayo, por ejemplo una cadena de aisladores. Conello se pretende analizar el comportamiemo de la cadena conTaminada bajolos efecws de una humedad crecieme. Las cadenas de EdeIca (800 kV) seensayaron de esta manera, tomando como punto de partida la contaminaciónobservada desde el año 1977, la cual se cominúa mididendo según el méwdoESDD ,(Equivalent salt deposit density), y la presencia de neblina y conden-sación, debido a los cambios de temperamra (por ejemplo en El Tigre, Mesade Guanipa y Llanos Cemrales).

Las salidas de línea en la zona en cuestión se observaban durame las

primeras horas de la madrugada, cuando la TemperatUra descendía a sus valo-res más bajos (14 y 16° C). Al mediodía, en comraste con el valor señalado,

se han regisuado hasta 38° C. Si bien este componamiemo es típico de unaregión, su análisis permitió seleccionar las cadenas para una severidad mayor.En el laboratorio se pudo verificar el componamiento de las cadenas conta-minauas natural y artificialmente ante una variación apreciable de la humedadimperante en el medio ambiente.

Si se denomina a K como facwr de conección de la humedad (FCH =K), se tendrá que la tensión U para una humedad relativa específica tiene que

ser conegida de acuerdo con la siguiente expresión:

KW .Uo =- U

dn

para poder referirla a las condiciones estándar, donde d está dada por la ex-presión 21.42. Los exponentes w y n se obtienen de la figura 21.21. Ambosson funciones de la forma de los elecuodos (configuración), de la polaridadde la tensión aplicada y de la forma de onda de la misma, así como de la se-paración interelecuódica o espaciamiemo~ De las configuraciones más fre-cuemes en los sistemas comerciales la más imponanTe es la denominada pun-ta-puma (rod- rod gap). La polaridad posiTiva conlleva a valores de descarga

(21.42)

'" -. _.i~,~JÍj

837

838

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IQ!

I11

La wordillaciÓn del aislamiento

n,w1.0

0.5

o 5 10 d (mI

Figura 21.21 Factores de corrección de ladensidad del aire (n) y de la humedad (w)en función de la densidad disruptiva d (enmetros).

'.

inferiores. Para esta condición puede afirmarse que para la configuraciónpunta-punta tienen validez las siguientes relaciones:

Impulso atmosférico (1.2/50) Maniobra (250/2,500)

. KU =-.U

o d Uo =[ ~ r U(21.43)

La figura 21.21 suministra al exponente n, y d es la' densidad relativadel aire, como ya se estipuló. Las pruebas bajo lluvia o en presencia de unaelevada humedad ambiental demandan una corrección que permitan referirla densidad relativa del aire y las condiciones estándar citadas anteriormente.

Para concluir es conveniente indicar que si la resistividad específica sedesea referir a los 20°C, como lo exige la)1orma, la siguiente relación se pres-ta para ello: '

P 20 = [ 1 + O.O22(t - 2O) ] P (21.44)

Es importante que. las diferentes comp3;ñías de electricidad dispongande estaciones meteorológicas distribuidas en Ir. zona afectada, para así poderobtener valiosa información sobre las características ambientales, tiempo desequía, precipitación promedio, velocidad del viento, etc. La simuladónde muchas pruebas en los laboratorios bajo techo tropieza lamentablementecon el tamaño cada vez ma'y°r de los equipos de extra y ultra alta tensión.Las pruebas bajo lluvia, con un ángulo de 'incidencia de 45°, resultan prácti-camente imposibles, pues las distancias entre las válvulas de inyección 'deagua y el objeto en cuestión de ensayo son tan grandes que el incremento dela presión de agua se hace inevitable, con lo cual también aumenta el caudal(precipitación).

CamPO!

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La simulación de neblina se hace igualmeme difícil y costosa, en parti-

cular si se considera que una cadena. de aisladores de 800 k V, como las utili-zadas por EDELCA, alcanza fácilmeme los 5.5- 6 m con 37 unidades deporcelana o vidrio. Son pocos los laboratorios en el mundo que pueden reali-

zar estas pruebas, debido fundamentalmente a la cuantiosa inversión quedemandan las mismas. Esto, sin embargo, no debiera impedir la obtención de

los resuIrados deseados, pues las inversiones que amerita una línea de 525,

800 Y más kilovoltios son mucho más elevadas.

21.5.2 El factor espinterométrico

En .el subcapÍmlo anterior se mencionó que la tensión de rupIUra no sola-meme dependía de las condiciones ambiemales y de la densidad del aire, sinotambién de la configuración o arreglo físico de los electrodos. Asimismo, se

indicó que el arreglo más desfavorable es el conocido como punta-punta.Las instalaciones eléctricas (líneas de transmisión, subestaciones, etc.)

ofrecen una gran cantidad de arreglos, tales como esfera-puma, punta-placa,conductor-puma, conductor-ventana (por ejemplo fase central de líneas de400 y más kV), etc., cada uno de los cuales muestra características dieléctri-

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10 20 50 100 200 500 1000

s (cm)

Figllra 21.22 Tensión específica de ruptura del arre-glo punta-placa a tierra y punta-punta a tierra, enfunción de la distancia disruptiva.

(l) p'.mta-placa a tierra U(2) punta-punta a tierra d(50 Hz)

(3)(4)(5)(6)

punta pos.-placa a tierra

I

punta pos.-punta a tierra Upunta neg.-punta a tierra d50% (1.2/50)punta neg.-placa a tierra

"

1,H'

.., " .:'!I.~


cas diferentes. Las distancias mínimas a tierra y entre fases se ven entonces

fuertemente influenciadas por estos arreglos, de allí que se les haya tratadode conferir una magnitUd determinada, como se verá a continuación, deno-minada factor espinterométrico (Gap factor).

Si la tensión nominal de operación es inferior a 300 kV, entonces la

sobretensión o impulso atmosférico desempeña un papel determinante enla separación mínima contra tierra de las partes vivas o energizadas; de'lo

contrario (Un> 300 kV), es la sobretensión o impulso de maniobra la que

dicta el espaciamiento mínimo. .

En las figuras 21.22 y 21.23 se ilustra la tensión específica de ruptUra(Ud/s) y la tensión de ruptura (Ud) en función de la distancia disruptiva paralos arreglos punta-punta y punta-placa. Se diferencia la polaridad del impul-

1

240

220

200

1800

> 1600.Yo

m

a 1400o.:J....

~ 120c:-o'§ 1000CI>....

80

60

40

40 80 120 160 200 240 280 320

-s (cm)

Figura 21.23 Tensión de ruptura del arreglo pun-ta-placa a tierra y punta-punta a tierra, en fun-ción de la distancia disruptiva (condiciones es-tándar, relación 21.36). (1) punta-placa a tierra,(2) punta-punta a tierra, media aritmética delvalor pico de la tensión alterna, (3) punta positi-va-placa a tierra, (4) punta positiva-punta atierra, (5) punta negativa-punta a tierra y (6)

punta negativa-placa a tierra, Ud50%(1.2/50)'

Comp

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so aplicado y la condición de conexión a tierra de uno de los elecrrodos. Comose puede apreciar, el comportamiento del arreglo varía sustancialmente. En las.iíS.

aplicaciones prácticas, al determinar las distancias mínimas (clearance), seselecciona la configuración y condición más desfavorable, punta-placa, con

esta última a tierra ante impulso atmosférico de polaridad positiva. Enrealidad en la prácrica se observa una mayor cantidad de impulsos o sobre-tensiones atmosféricas de polaridad negativa, con lo cual el sistema se ve en-

tonces provisto de cierto margen de reserva, cuando menos desde el punto devista probabilístico.

El efecto de las sobretensiones de maniobra, sobre los mismos arreglosdel caso anterior, se ilustra en la figura 21.24 (punta-placa a tierra). Se obser-

va UT}mínimo para la tensión de 50% de ruptura específica (250/2,500) corres-pondiente a tiempos de fonnación de cresta de 50 a 200 /lS. Si aumenta la

distancia, el m'ínimo se desplaza a tiempos de formación de cresta mayores.Si el arreglo consta de punta-pÜnta a tierra (figura 21.25), se observa un

componamiento ligeramente diferente.

Si se coteja la sobre tensión de maniobra con la tensión de ruptura afrecuencia de régimen, se observa que para distancias disruptivas grandes latensión de ruptura ante impulso de maniobra es inferior a la oua, con lo cual

ella es entonces la que conduce a la descarga. .

Con el facTOr espinteroménico se uata de considerar en la práctica lohasta aquí expuesto.

.,s(m)

1.52.°

,

-2.5 =3.0 -

3.5 1-4.0 -5.0

50 Hz

s(m)O/N///.!/

2 101 2 102 5 1041035 5 2 5 :2..

tcreSta ello)

Figura 21.24 Tensión 50% de ruptura específica para sobretensión positiva(250/2,500) del arreglo punta-placa a tierra en función del tiempo de forma-

ción de cresta y de la distancia disrup tiva s,

~"~-,"'r

La coordimu:ión del aislamiento

2 5 101

(B) tcresta (¡..¡s)

102 2 52 5 103 2

s (fTl)i .52.0' -

2.5 "3.0- -

3.54.05,0

50 Hz

s(m)

5 104..

Figura 21.25 Como en la figura anterior, pero para el arreglo electródicopunta-punta a tierra.

Definición

Por factor espinterométrico debe entenderse la relación entre la tensión deruptura positiva de un arreglo dado contra la desfavorable configuración elec-

tródica punta-placa a tierra (figura 21.24).Luigi Paris, del ENEL italiano, fue' el primero (1967) en introducir al

factor en cuestión en la conocida relación

UdSO% = 500ogos0,6 (21.45)

donde s es la distancia disruptiva a tierray g el factor espinterométrico. En 'latabla 21.4 se compilan los factores de mayor importancia práttica, que van

desde 1.0 (punta-placa) a 1.90 (punta-conductor).En vista de que la fórmula de Paris es válida sólo para un tiempo de for-

mación de cresta de 250 JlS, Gallet y LeRoy (EdF) propusieron la siguienterelación, más generalizada que la ainerior respecto al tiempo, pero sólo parapolaridad positiva

3,450

UdSO% = go 1 + (8/s)(21.46)

donde s es, al igual que en el caso anterior, la distancia a tierra en metros.

J

.1

¡I

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Campo:

punta-

punta-

condUl

condUl

conduc

punta-

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I

condu

condu

condu

condu

FactoJ

(1973

Figurodisrul(250/difereción (

, (1) P(2) c.(3) c.

e

(4) P(5) c.

ar

842

Ud50

s

¡ 6

kV

cm I '--5"

4-

3

2

'nto

lec-

al

»

an

r-

ea

Comportamiento del aire843

TABLA 21.4

il1át'1

B 1.20conductor- ventana estructural

conductor- estructura inferior:: ~ 1.30

~

punta-punta a tierra (h = 3m, inferior)1I

--L

f t2SZSJ

:: ~ :: 1

:f 11"::~

:: '.1:: f1..

:: f-L 1.90

1.30

conductor-estructura metálica (superior y

lateral)

1.35

conductor- estructura de am arre 1.40

conductor- extremo de estructura 1.55

conductor- barra a tierra (3 m, inferior) 1.65

conductor- barra a tierra (6 m, inferior)

Factores espinterométricos g para diferentes arreglos electródicos según Electra, No. 29(1973 ).

r:o2400

Figura 21.26 Tensión 50% de choquedisruptiva ante impulso de maniobra

(250/2,500) de polaridad positiva paradiferentes arreglos Lll'clródicos en fun-ción de las distancias disruptivas.

(1) punta-placa a tierra g = 1.0

(2) conductor-estructura g = 1.1(3) conductor-ventanal

estructural

(4) punta-punta a tierra(5) 'Conductor- estructura

amarre

>-"'-

:; 2000:Jm>

'g 1600

~ I

:21200V>c:~

40

g = 1.2g = 1.3 o

O 400 600 800 1000 cm 1200-- S (cm)

200

g = 1.4

I

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w

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1""'"-"""'"

configuración o arreglo electródico- F. E. (g)

punta-placa a tierra IJ' 1.00

punta- estructura metálica 1.1 1.05l7"'\:1"<=j

condúctor-placa a tierra:: .1 1.15-

,-,-,,- ,~-

844 La coordinaciÓn del aislamiento

En la figura 21.26 se representa la tensión 50% disruptiva (250/21500) enfunción de la distancia disruptiva para diferentes factores espinteroméuicos.

En vista de que en la práctica uno de los sitios más desafiantes en cuan-to a las distancias mínimas a tierra se refiere es la torre de transmisión, carac-

terizada en los sistemas de extra y ultra alta tensión por una fase centralincluida dentro de una ventana estructUral y dos fases laterales con sólo unlado estructUral, es menester llevar a cabo toda una serie de consideraciones

particulares. Entre éstas figura la acción del viento, -el ángulo de proteccióndel hilo de guarda, aspectos sísmicos, forma y longitUd de las cadenas de ais-ladores, etc.

En el próximo subcapÍtUlo se exponen las consideraciones más usualesy las correcciones que deberían llevarse a cabo, para luego indicar en formatabulada las recomendaciones de la lEC.

21.5.3 Espaciamien tos'.

Las distancias mínimas que prescriben las normas para aislar las partes ener-gizadas de un sistema contra tierra y las fases vecinas se refieren básicam,el'nea aquellas distancias que resultan del montaje y que, posteriormente, se ven

2 x 4,000MCM

10 m I

)L- ~m.,rFigura 21.27 Simulación de la fase lateral en un pórticode la subestación de 800 kV. Las distancias señaladas sonlas mínimas a tierra. Las cadenas de suspensión son con-vencionales, a base de aisladores de vidrio o porcelana.

ComPl

expuI efec1I

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rltral) un

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¡alesIrma

l1er-

nteven

Comportamiento del aire845

expuestas a solicitaciones dielécuicas. Como se mencionó anteriormente, elefecto del viento, corriente de corto circuito, aceleración sísmica, ete., no

están contemplados en los valores dados por las normas.Los elemenros de referencia, en los que se han sustentado las normas, va-

len, además, para equipos limpios, no contaminados. El efecro de la contami-nación sobre el comportamiento dielécuico de los equipos y componentes, enparticular sobre las cadenas de aisladores, debe ser analizado por separado yen cada caso, pues la contaminación no sólo varía de un país a ouo, sino deuna región a oua (proximidad al mar, zonas indusuiales, agrícolas, etc.) den-tro de un mismo país.

Al hablar de distancias es imperativo concentrarse en la torre de trans-misión, pues en ella es donde los conductores suelen denotar sus acercamien-tos mínimos a las panes conectadas a tierra. En los laboratorios de altatensión se simula la torre de uansmisión, o pónico de subestación, con la

ayuda de acero esuucTUral. En las figuras 21.27 y 21.28 se indican los arre-glos de ensayo milizados por EDELCA en las pruebas dieléctricas para lasbarras de las subestaciones de 800 kV. Elconducror en haz (2 X 4,000 MCM)

se simula con dos tubos de aluminio, de 14 m de longitud, terminados en es-

feras de 2 m de diámetro, que garantizan una terminación,libre de corona.

''''.','.~'1<"

\,:¡,¡,

T

, W ~

~~_2m ~

~ \C.0'~~

~ !I

6m * 6m

-MCM

2 x 4,000

10m

~2m~1111111111'7"

Figura 21.28 Simulación de la fase central en uno de lospórticos de 800 kV. Los tubos de alumino, dos por fase,simulan al conductor bifilar de 2 X 4,000 MCM; las esfe-

ras tienen como finalidad garantizar una terminaciónlibre de corona.

¡"~',.. ,,'<

~ -~~ ~~~~~--~--_._-

846La coonlinacirín del aislamiento

11",T. Tr

,/,/'/ ,/ 777777777:

al Cadena sencilla de suspension en V y detalles de la simulacion del ventanal estructural,correspondienTe a la lase cenTral.

T. Tr1650 kV

1650kVA

-.,.

explosor deesferas

t~'I

10.0m

j

,/,/ /,/ /,/ '/777T777777~7'/;

bl Cadena sencVla de suspensión y detalle de la estruCtura de soporte que simula a la

IOrre para las fases laterales.

conductores

T. TI'

1650kV

1650kVA

2000 mmq,

"7 // //7777//

el Cadena de amarre doble.

Figura 21.29 Arreglos de ensayo para las torres dé EDELCA, 800 kV, utiliza-

dos durante las pruebas tipo en los laboratorios de la NGK en Nagoya, Japón.

-"--"-- - ..-.

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1

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nto

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-j; -

I

A

Fotografía 21.1 Descarga ante impulso atmosférico (1.2/50) en la cadena desuspensión lateral provista de 32 aisladores de porcelana bajo condiciones se-cas. Laboratorio de Alta Tensión de la NGK, Nagoya, Japón.

fotografía 21.2 Descarga ante impulso atmosférico (1.2(50) en la cadena dela f;¡st: ct:ntral, (:' x '3~ ¡li,ladorcs) bajo condiciones secas. Laboratorio de AltaTensión de la ~GK, i\agoya, Japón-

847

I!I,

--,-~,~"~- ¡,~",,, ~,,-"""',;-~


La línea de transmisión en los puntos de suspensión y amarre fue simula-da, según se ilustra en las figuras 21.29 y 21.30, para las pruebas a frecuenciade régimen e impulso, respectivamente. En las fotografías 21.1 y 21.2 se ilus-tran, finalmente, descargas ocurridas en la fase lateral y central durante las

161T' ~ 16 m ..J

2mII- 11 m ,..¡2mI !I

Ir:; II ". .

'":.4 m.:: 7.7 m

i :::, !

1~_7.6m

/"\ Conductor

torre de ensayo

ventana

L ~

6.5 m ',.@)0

16 m

Conductor

25 m

torre de ensayo

(0

@y@cadenas de suspensión fases centraly laterales,€)cadena doble de amarre,

Figura 21.30 Arreglos de ensayo para laspruebas con impulso atmosférico y demaniobra. EDELCA, 800 kV.

Campo

prueljapóI

bas d

yectclas C2vidri<

figur:ap reedura]

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I- - 1.

gUl

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'j,¡

nto 849Comportamiento del aire

la- pruebas que se llevaron a cabo en los laboratorios de la NGK en Nagoya,J .:ipón

Si se .lIL.Jiz.:iI1los resulrados obrenidos forográficamenre para las prue-bas de impulso, tanro aunosférico como de maniobra, se observa que el tra-yecto preferido por la descarga es totalmente arbitrario y sujeto al azar. En

las cadenas de EDELCA se utilizan, por lo pronto, aisladores de porcelana yvidrio (37 unidades por cadena) con las distancias mínimas dadas en las citadasfiguras. El arreglo de ensayo queda en tonces conformado por una cantidadapreciable de espinterómetros, cada uno de los cuales, en el medio aire, actúaduran te el proceso de descarga.

A continuación tratará de ejemplificarse la situación planteada, conapoyo en las relaciones 21.45 y 21.46 y de la recomendación lEC, Publica-ción 71 del año 1976.

:'J3.

~-

iS

5m Nivel básico de aislamiento

Debe diferenciarse, como se verá a continuación, el comportamiento ante

impulso atmosférico del que se regisua ante una maniobra ocasionada poruno de los interruprores del sistema, a saber:

BIL (1.2/50) = Ud50% (1.0 - 1.3ou)

y (21.47)

BIL (250/2500) =Ud50% (1.0 - 1.3ou)

Utilizando los valores citados antcriormenre para las desviaciones es-

tánd~r o tÍpicas para el rayo (u = 3%) Y maniobra (u = 6%) pueden estable-cerse las siguientes relaciones enue las tensiones críticas y los niveles básicosde aislamiento (BIL):

BIL--UdSO% (1.2/50) - 0.961

y (21.48)

BILUd50% (250/2,500) - 0.922

Ejemplo 1: Sistema de 400 kV de EDELCA diseñado para una tensiónmáxima de operación de 420 kV, según la lEC.Si el BIL ante sobre tensión de maniobra es 1,050 kV, se obtiene la si-

guiente relación:

u = 1,050 -dso% 0.922 - 1,138.82 kV

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J

850 La conrdillaciólldel aislmniehto

La distancia mínima a tierra puede dctcm1inarse con la ayuda del factorespinterométrico dela relación de Paris(21.45), a saber:

, Ud 50 %

0.6 X log(s) = lag g' 5

el cual permite considerar algunos de los arreglos interelectródicos dados enla tabla 21.4: '

Paris Gallet Lera)'

Punta-placaConductor- ventanaCondutor-placa

g = 1 0.6 'logs =logO,5959 -+ s = 3.9428g = 1.2 0.6'logs =logl,8980 -+ s = 2.9096

g=1.15 0.6'logs=logl,9806-+s =3.123..5

4.p29113.,097503.28760

La comparación de los resultados obtenidos indica que el arreglo másdesfavorable es el correspondiente a la punta-placa, como ya se mencionó,junto con el de punta-punta, al comienzo del subcapíwlo 21.5.

En la columna de la derecha se han indicado también los resultados que

se obtienen para los mismos arreglos utilizando la fórmula GaIlet- Leroy, la

cual conduce a valores ligeramente superiores. -

Este primer enfoque del problema planteado, al diseñar las distancias

mínimas a tierra -de cualquier arreglo, debe servir únicamente como orienta-ción, pues en cada caso se deben verificar las condiciones prevalecientes en elsistema. La mejor alternativa, pero no la menos costosa. es medir en los labo-ratorios de alta tensión con la debida simulación de ra torre, de la cual se han

indicado varios ejemplos para 800 kV. Sin embargo, en caso de duda es impe-rativo medir en forma experimental.

Ejemplo 2: Sistema de 23 O kV de la Electricidad de Caracas, diseñado

para una tensión máxima de 245 kV'y un nivel básico de aislamiento,ante impulso atmosférico (1.2/50) de 1,050 kV. Se desea saber l~ dis-

tancia crítica a tierra. De la relación 21.48 se obtiene 1,092.61 kV Y. .con la ayuda de la relación de ~allet-Leroy (21.46) se deduce unadistancia mínima de 2.4228 m.

21.5.3.1 Consideraci ones-p articulare s

El estUdio de las distancias críticas de una torre de transmisión, solicitada

por impulsos de maniobra (250/2,500), es relativamente nuevo, pues data dela década de los 70. Anteriormente prevalecía, según se ha dicho ya re-

petidas veces, el diseño de la torre para soportar sobretensiones atmosféricas.

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.orA cominuación se expone una serie de consideraciones, válidas para las

distancias mínimas, ame solicitación de las mismas con impulsos caracterÍs-ticos de las sobretensiones de maniobra y sobre tensiones atmosféricas.

Distribución Gaussiana

~n La capacidad de un aislamiento autoITestaurable de soportar sobretensionesno se puede indicar con una simple cifra, pues está sujeta, como se ha visto, aun proceso casualístico, el cual demanda el análisis de una distribución pro-babilística. Si a un aislador de soporte se le aplican 15 impulsos de sobreten-sión atmosférica o de maniobra, y tres de ellos conducen a una ruptUra, la

probabilidad de ruptUra o descarga viene dada emonces por 3/15 =20%. Sise varía la tensión de prueba se obtiene la probabilidad de descarga en fun-ción de la misma (figura 21.31). En esta figura un aislador de soporte, insta-lado a 2.5 m sobre el suelo, con una distancia disruptiva de 3 m, se expone asobretensiones atmosféricas de polaridad positiva y negativa. Ambas polari-

dades satisfacen la distribuciÓn gaussiana normal, en vista de lo cual se pue-

den expresar a través de la tensión Udso% y la desviación estándar ud.

Para el ejemplo en cuestión (figura 21.31) se obtienen los siguientes re-

sultados (curvas 1 y 2):

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Impulso negativo.Impulso positivo

UdSO = 1,640 kV Yud = 3.1%Udso = 1,870 kV Y ud = 2.2%

(1.2/50)(1.2/50)

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Ud50(neg)

(2.3) - 2Ud...J

1900 2000'-It Ud (kV)

Ud50/P05)ae

Figura 21.31 Probabilidad de descarga o rupturade un aislador de soporte (h =2.5 m, s =3 m) an-te impulso atmosférico (1.2/50) positivo y nega-tivo, en función de la tensión aplicada Ud'

5.

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En vista de este comportamiento probabilístico de la tensión de ruptUrao descarga, tanto la lEC como la VD E definen la tensión de impulso o cho-que estadístico (Ud 10) como aquella que denota una probabilidad de ruptura

de 10%. Para una distribución gaus~iana normal ,'ale entonces .

Vd 10 = Vd 50 (1 - 1.3 .ud) (21.49)

,

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Es interesante comparar esta relación con otras ya citadas, entre ellas la21.30, 21.31 Y 21.32. Para las sobre tensiones atmosféricas se utiliza en las

pruebas de laboratorio ad !::::t.3%, mientras que para las sobre tensiones demaniobra se estila Ud !::::t. 6%. .

Esto obedece a que durante los tiempos deprueba en los labor,atoriosde alta tensión, que de por sí son relativamente <;ortos, las condiciones am-bientales no varían en forma apreciable. Si, por el comrario, las pruebas sellevan a cabo sobre el mismo sistema y con un tiempo de duración mayor, lascondiciones ambientales varían, con lo cual la desviación estándar se incre-

menta. En este caso es conveniente utilizar entonces a ud = 6% para las so-bretensiones atmosféricas y a Ud =8% para las de maniobra.

No obstante,' debe señalarse que la aproximación dada por la d!stribu-ción gaussiana denota exactitUd para cuatro desviaciones estándar por debajode la media, siendo ésta la tensión Vdso%' Esta observación se sustenta ennumerosos ensayos' de laboratorio. Si se reCUITe de nuevo al concepto de

"esfuerzo-rigidez" (apartado 21.2.1.1), resulta .que la ideología para el

diseño del aislamiento debería susteptarse en un equilibrio emre el esfuerzomáximo y la rigidez mínima. Si la probabilidad. de descarga se extiende avalores o niveles bajos, entonces resulta muy difícil establecer el límite de la"rigidez". Después de muchas discusiones técnicas se acordaron finalmentelos valores citados de 3 y 6%, respectivamente. Conociendo la distribuciónprobabilística de la descarga es factible llevar a cabo pruebas o ensayos paradeterminar el efecto de sus parámetros sobre la tensión UdSO y el coeficientede variación Ud IVdso' con lo cual se facilita la predicción sobre el comporta-miento del aislamiento.

Tiempo de formación de cresta

En las figuras 21.24 y 21.25 se ilustra el efecto ,del tiempo de formación decresta de la onda sobre la tensión 50% de ruptura específica. Esta tensión

depende en sí de la polaridad (positiva o negativa) y de las condiciones dehumedad prevalecientes. En ambas curvas se observa un mínimo relativamen-

te bien diferenciado, al cual se le suele llamar ri.empo crítico de cr~sta (criti-

cal wave front).Las pruebas bajo lluvia han demostrado que la ruptUra tiene lugar para

valores inferiores de la tensión, es decir, UdSOdisminuye respecto al valor encondiciones secas. La polaridad negativa se ve más afectada que la positiva

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Comportamiento del.aire 853

(Ud, neg. < Ud, pos.), pero sin embargo el diseño de la lOrre se lleva primor-dialmente a cabo para polal;jdad po~itiva bajo lluvia, ya que su rigidez ante

impulso negativo es mayor y de manera muy considerable. Al hablar de prue-bas o ensayos se alude, por lo general, a la polaridad positiva, salvo que seindique específicamente lo contrario.

Longitud de la cadena de aisladores

La longitUd de la cadena de aisladores, y por ende el número de elementos

que la confonnan, no puede ser arbitrario. Es fácil demostrar que la distri-bución de la tensión a lo largo de la cadena comienza a empeorar a partir deun número detenninado de elementos.

Si se aumenta la longitUd de la cadena, por ejemplo la tensión crítica deruptUra, Udso' se incrementa, pero llega un momento en que su longitud esigual a la distancia disruptiva (espaciamiento entre las panes energizadas y lasconectadas a tierra, es decir, entre el conductor y la estructUra metálica de latorre). La descarga es muy factible que ocurra entonces a lo largo de la cade-na. Es muy importante, en consecuencia, mantener una relación adecuada

entre la longitUd de la cadena y la distancia disruptiva a tierra.En condiciones bajo lluvia la longitUd de la cadena debería ser de 1.05

a 1.10 veces mayor que la distancia disruptiva del conductor energizado atierra. Este componamienlO (5 a 10% de diferencia) se ha podido observarexperimentalmente en l1umerosos ensayos llevados a cabo en laboratorios de

alta tensión. Bajo lluvia la tensión crítica de ruptUra disminuye mucho más

a lo largo de la cadena de lo que disminuiría a través del aire ( j).

Varias cadenas de aisladores en paralelo

Generalmente son varias las cadenas de aisladores que se ven simultáneamen-te expuestas a las solicitaciones dieléctricas. Basta para ello pensar en unatorre afectada por un rayo.

Si para cada uno de los aisladores tiene validez la misma probabilidadde ruptura PdI' n aisladores en paralelo denotarán una probabilidad de rup-tUra dada por

P = 1 - (1 - P )n

dn dI (21.50)

En la figura 21.32 se ilustra esta dependencia para una cantidad de ais-ladores n igual a 1, 3,10,30 y 100.

Para un valor n = la la tensión de referencia (Ud/Uy ) disminuye en6.2% (de 3.24 a 3.04) respeclO a sólo una cadena (n = 1).

En realidad son pocos los estUdios .que se han llevado a cabo en fonnaexperimental sobre el comportamiento de varias cadenas en paralelo, a pesar

de que esta posibilidad se da constantemente en la práctica. Sería intere-

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3.4 3.5- Ud/UI

Figura 21.'32 Probabilidad de ruptura de n ca-denas conectadas en paralelo, en función de latensión de referencia Ud/Uy,

3.0 3.1 3.2 3.3

sante, en consecuencia, que los laboratorios especializados no se limitaranestrictamente a los modelos matemáticos de simulación probabilística.

;

Distancias disruptt'vas

Estas distancias, de suma importancia en el diseño de la torre, han quedado

determinadas en gran parte con la ayuda de las figuras 21.22, 21.23 Y 21.26,

Y de las relaciones de París (21.45) y Gallet Leroy (21.46.). ,

El punto crítico en los sistemas de extra y ultra alta t.ensión resulta ser lafase central, para la cual se han desarrollado otros métodos adicionales queconsideran su espaciamiento mínimo, tales como el de Anderson y el deAlexandrov. Debe señalarse, no obstante, que la relación establecida porGallet Leroy suministra una excelente aproximación para distancias disrupti-

vas de hasta 10m, motivo por el cual no se abundará más sobre este aspecto.En caso de dudas lo más recomendable es ensayar experimentalmente laconfiguración de la torre, así repr.esente una alternativa costosa.

Fase central

De las fotografías 21.1 y 21.2 se desprende que las fases laterales, sólo se ven

afectadas por un lado de la torre en los sistemas de ex tra y ultra alta tens,ión,

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mientras que la fase central se ve prácticamente circundada por le estructUra

metálica de la torre. La tensión cr~tica de ruptura de las fases laterales, conbase en los resultados obtenidos a través de numerosas pruebas en los labora-torios de alta tensión, parece ser ap1"Oximadameme 8% superior a la de lafase central. Esto ratifica lo anteriormeme afirmado sobre esta fase y.su im-

portancia en el diseño de la torre.

Efecto del viento

La velocidad de propagación del viento se puede aproximar, con bastanteexactitud, con la ayuda de una distribución de valor extremo. Si las cadenasde suspensión son de tipo vertical, es, decir, con libertad de movimiento,entonces el efecto del viento se traduce en una reducción de la distancia

disruptiva, la cual debe ser considerada para cada configuración de torre, dis-pensándosele especial atención al ángulo de incidencia o ataque.

De no disponerse de mayor información, se supone que el viento actúa

ortogonal sobre el eje de la cadena o sobre los conductores, afectando a la tota-lidad de la línea. Este viene siendo el enfoque conservador, el cual contempla

desviaciones de la cadena respecto a su posición vertical de hasta 20°. Comoes de suponer, esto desempeña un papel muy importante en el diseño delbrazo estructural de la torre, que separa a los conductores de la parte instala-da a tierra de la torre.

Polaridad del impulso

Ya se ha mencionado que la polaridad del impulso que simula a la sobreten-sión juega un papel muy importante, pues no se observan los mismos valorespara la tensión de descarga Udso' El valor negativo resulta ser apreciablemen-te superior al valor positivo ante impulso atmosférico (1.2/50) y distanciasdisruptivas considerables.

En la figura 21. 33 se ilustra la relación .u dso/s en kV/m en función delos factores espinterométricos más frecuentes. Para la fase central de una

torre de transmisión (g = 1.20 según la tabla 21.3) se obtiene para la peorcontingencia (polaridad positiva) una relación de 560 kV/m. Para la fase late-ral (g = 1.30) se obtiene 575 kV/m. El valor correspondiente a la polaridadnegativa, para la fase lateral, asciende a 660 kV/m, mientras que para la fasecentral es de 605 kV/m.

En el diseño de las torres de transmisión se pueden recomendar, comouna primera aproxinJ l"lc:Ónpara ambas fases, lateral y central, los siguientesvalores:

UdSO%(L2/S0, pos.) = 560 kV/m(21.51)

UdSO%(1.2/S0, neg.)= 66li ¡-¡m

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856 LIl (oordinació,¡ del aislamiento

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1.0 1.4 1.6 1.8 ~ 2.0factor espi nterométrico 9

1.2

Figura 21.33 Dependencia de la tensión Ud50%(¡, 2/ 50) en función de los fac-tores espintero.mé~icos. más frecuentes para polaridad positiva y negativaCon miras a establecer posteriormente las distancias mínimas, la tensión serefiere convenientemente a la distancia disruptiva s en metros.

Estos valores bien podrían s'er verificados experimentalmente en las to-rres correspondientes.

Otros aspectos

Además de los aspectos y consideraciones citadas en este subcapítUlo es me-nester dispensar especial atención a las exigencias sísmicas, que afectan a lamayoría de los países andinos del Continente Sudamericano, a los esfuerzosdinámicos ocasionados por la intensidad de corriente de corto circuito, asícomo a otros aspectos que por razones obvias no pueden ser tratados en lapresente obra, pues difieren de un sistema a otro y se aplican para casos

particulares. ,

El nivel isoceráunico, ya mencionado en el capítulo 9, ejerce una graninfluencia en las distancias mínimas de los sistemas de extra y ultra alta ten-sión, como se verá más adelante. Esto no debe confundir al lector, quien através de esta obra es sabedor ya de que el diseño a par~ir de los 300 kV sefundamenta en las sobre tensiones de maniobra (250/2,500) y no atmosféri-cas (1.2/50).

21.5.3.2 Valores normalizados'

En el presente apartado se indicarán los valores normalizados por la lEC pa-ra las tensiones normalizadas y para los espaciamientos mínimos entre fases y

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a tierra. Como ya se mencionó, los valores tabulados no consideran los aspec-tos mecánicos y sí smicos, al igual que tampoco la contaminación de los aisla-dores, etc. Estos deben ser considerados por separado y para cada sistema en

particular.

Com en ta n:os

1. Con las ilustraciones obtenidas en los sub capítulos anteriores resulta

sencillo seguir más de cerca los espaciamientos mínimos contra tierraseñalados por las normas. Estos se fundamentan en el arreglo más

desfavorable punta-placa a tierra y en los impulsos positivos.2. Separación mínima entre fases. Los valores señalados son los mismos

que se indicaron para la distancia mínima de fase a tierra. Esto en-cuentra su fundamento en que el rayo generalmente afecta simultá-neamente a varios conductores. Las tensiones entre éstos, si se

desprecia la tensión de régimen, son iguales a las que se observan con-tra tierra.

¡I,

Tabla 21.5 Niveles b~sicos de aislamiento según la lEC (Pub!. 71-1/1976) para tensionesinferiores a 300 kV (U < 300 kV), correspondientes a los grupos A y B.m

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Grupo A

Tensión máxima a Tensión máxima Impulso otmosféri- Tensión de prueba afrecuencia de régi- de fase a tierra. ea (1.2/50) frecuencia de régimen.men Valor pico UYm Valor de cresta Valor eficaz UpValor eficaz UmkV kV kV

I p.u. (3)kV p.u.(4)

3.6 2.94 20 (1) 6.8 10 4.81

40 (2) 13.6

7.2 5.88 40 (1) 6.8 20 4.8160 (2) 10.2

12 9.80 60 (1) 6.12 28 4.0475 (2) 7.65

17.5 14.3 75 (1) 5.25 38 3.76

95 (2) 6.65.

24 19.6 95 (1) 4.85 50 3.61125 (2) 6.38

36 29.4 145 (1) 4.93 70 3.37170 (2) 5.78

---- . -. "'~~-'T


Tabla 21.5 (continuación)

Tensión máxima afrecuencia de régi-menValor eficaz Um

Tensión máxima Impulso atmosféri-de fase a tierra. co (1.2/50)Valor pico UYm Valor de cresta

Tensión de prueba afrecuencia de régimen,

Valor eficaz Up

kV kV p.u. (3) kV p.u. (4)kV

Grupo B

(1) lista 1; (2) lista 2; (3) U~m =.J2¡3'Um; (4) referido a UYm (5) los niveles básicos de aislamientofase- fase son idénticos a los de fase- tierra, exceptuando los valores entre paréntesis.

Asimismo, mientras la sobretensión atmosférica sea la que defina el

comportamiento dieléctrico del arregl9 en cuestión, la separaciónmínima entre fases es igual a la distancia mínima contra tierra. Estepodría ser el caso para niveles básicos de aislamiento hasta 1,050 kV,

grupos A y B de la lEC. La sobretensión de maniobra desempeña un

. papel muy importante en el grupo C (tensiones de régimen superioresa los 300 kV). . .

Es interesante destacar que para una distancia a tierra igual a laprevaleciente entre fases la rigidez ,dieléctrica entre fases es de 1.3 a1.6 veces superior a la de fase a tierra, ante una solicitación por im-pulso de maniobra (250/2,500). Esto encuentra su e~plicación enque el arreglo fase-fase resulta ser más simétrico (conductor-conduc-tor) que el de fase a tierra (punta-placa). Los factotes espinterométri-cos correspondientes varían entonces en la misma proporción señalada.

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72.5 59.2 325 5.49 140 3.34

123 100.4 450 4.48 185 2.61550 5.48 230 3.24..

145 118.4 (450) (3.80) (185) (2.21)550 4.65 230 2.75650 5.49 275 3.,28

170 138.8 (550) (3.96) (230) (2.34)650 4.68 275 2.80 .750 5.40 325 3.31

245 . 200 (650) (3.25) (275) (1.94)(75 O) (3.75) (325) (2.30)850 4.25 360 2.55950 4.75 395 2.79

1050 5.25 460 3.25

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Tabla

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Grupo-I

Tensió

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¡sión de prueba a;uencia de régimen,

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3.16

3.34

2.613.24

(2.21)2.753.28

(2.34)2.803.31

(1. 94)(2.30)2.552.793.25

:s básicos de aislamientotesis.

~ala que defina el)n, la separaciónontra tierra. Este

) hasta 1,050 kV,Ira desempeña un. .:gImensupenores

tierra igual a lafases es de 1.3 a

icitación por im-1 explicación enr1ductor- conduc-s espinterométri-

)Oreión señalada.

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Tabla 21.6 Niveles básicos de aislamiento según la lEC (Pub!. 71) para el grupo C de ten-siones. Ondas nonnalizadas 1.2/50 y 250/2,500.

Grupo C (Um ;;;. 300 kV)

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(1) UYm = y'2¡3'Um; (2) Fase-tierra (Pub!. 71-1; 1976); (3) Fase a fase, sugerencia 1978. (Ver tambiénVDE 0111, Parte 1/10.79.)

3. En el grupo C de la lEC, para tensiones mayores de 300 kV, la sepa-ración mínima entre fases depende fundamentalmente de la sobreten-

sión de maniobra. La tensión contra tierra de una de las fases es iguala la diferencia de las tensiones de fase a tierra de dos conductores

vecinos. La solicitación dieléctrica no depende únicamente de la su-ma total de las tensiones Iv 1+ Iv 1, sino también de+ -

:;1

Iv 1

a =, Iv I+-¡V_I+(21.52)

, , donde a es la relación existente entre la tensión total contra la sobretensión

negativa de maniobra. En la figura 21.34 se ilustra el arreglo físico punta-punta y en la 21.35 su tensión de ruptura en función de a. Se aprecia quepara distancias disruptivas grandes, es decir, espaciamientos considerables, latensión de ruptura aumenta con a.

Esto implica que una solicitación dieléctrica bipolar demanda, para lamisma suma de la tensión, una distancia disruptiva inferior para un valor

también más pequeño de Ci..Es por ello que se recomienda llevar a cabo ensa-

.ij ""ioi..~-n' =~",- ..I-'~ ...""

Tensión máx. a Tensión Impulso de Impulso atmos- Impulso defrecuencia de máx. fase- maniobra. férico. maniobra.

régimen. tierra. Fase a tierra2 Fase a tierra: Fase a fase

Valor eficaz Valor pico Valor cresta. Valor cresta. Valor cresta.I

Um UYm (1) ,kV kV kV p.u.(1) kV kV p. u. (1)

300 245 750 3.06 850;950 1175 4.80850 3.47 950; 1050 1300 5.31

362 296 850 2.86 950; 1050 1300 4.39950 3.21 1050; 1175 1425 4.81

420 343 950 2.76 1050; 1175;' (1300) 1425 4.151050 3.06 1175; 1300; 1425 1550 4.52

525 429 1050 2.45 1175; 1300; 1425 1675 3.901175 2.74 1300; 1425; 1550 1800 4.20

765 625 1300 2.08 1425; 1550;1800 2250 3.601425 2.28 1550; 1800;2100 2400 3.841550 2.48 1800;1950;2400 2550 4.08

-- ~---' '"' ~~'


Tabla 21. 7 Espaciamientos mínimos en el aire en función del valor cresta de la tensión de. impulso atmosférico, onda normalizada de 1.2/50, según DIN57101 y VDE 0101/11.80.

~~!,~

Tensión máxima de operación

a frecuer;cia de régimen (50Ó60 Hz) Valor eficaz (rms)kV

3.67.2

1217.524

(27.5)365272.5

-" -

~-----123

145170

245 ~

420 -=:::::::::

Valor de cresta del

impulso atmosférico

Fase :a tierra. (*)kV

----

40607595

125

(145 )

170'250325450550650750(850)9501050(1300)

1425 290

Espaciamiento mlnimo en elaire (fase a tierra). (*)

cm

6.59.0

11.51621.5

(27.0)32.5

52

:70

95

110

135 '

155

(170)1'85

220

(270)

(*) Los espaciamientos mínimos entre fases son para una misma tensión de impulso atmosf~rico (valorde cresta) los mismos. .

.Tabla 21.8 Valores recomendados para los espaciamientos mínimos en el aire para arre-

glos electródicos conector- conductor, en función del valor de cresta del impulso de ma-

niobra (250/2,500).

1) Válido también para arreglos con distribución homogénea del campo eléctrico.2) Idem, pero campos no homogéneos.

jIII

Compc

I

I

IjIíJ

j

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elect

slOnemISIT

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I

I

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I

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Impulso de maniobra Distancias mínimas en el aire

Fase-fase arreglo arregloValor cresta 1 .punta- placa2punta-puntakV cm cm

1175 240 2801300 270 3201425 310 3601550 350 4101650 390 4601800 430 5201950 490 .,5902100 560 6802250 630 7702400 710 8802550 790 1000

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Figura 21.3

;Tensión de ruptura del arre-

glo punta- unta ante solicitación con

sobretensió de maniobra bipolar.

yos con dos sobretensiones de aniobra para establecer las distancias m{nimasen el aire. Los valores de O'que an entonces comprendidos entre 0.33 y 0.50.

En la figura 21.36 se ilustra la tensión disruptiva 50% para tres arregloselectródicos fase a fase en función de la distancia s.

Finalmente es interesant destacar que, en contraste con las sobreten-siones atmosféricas, las sobre tensiones de maniobra se manifiestan con la

misma frecuencia para ambas olaridades. El factor O' se define entonces, al

( I u + I + Iu -'1) so

1

3000

kV

2000

s== 4m

s == 2m

1000

s = 1m

I0.33

o0.5 luJ

a=lUT+ luJ+

Figura

t

1.35 Tensión de rupturadel arre lo punta-punta ante solici-tación ipolar de maniobra. al ya2 se c ITelacionan con la figuraanterior.

~ ~_d

861

..j

[iJ,1i¡i¡j

11"

862 La coordinaciÓn del aislamiento

(1u+' + IU-')so

1

3200

kV

2800

2400

2000

1600

1200

800

400

oO 400200 600 800 1000 1200

s(cm)

. Figura 21.36 Tensión 50% de choque de ma-niobra en función de la distancia para C\'= 0.5.(1) anillo- anillo(2) punta- punta(3) punta positiva-placa negativa.

medir y calcular, como la relación existente entre la componente menor dela tensión fase a tierra contra la sobretensión entre fases (conductor-conduc-

tor), en vista de lo cual siempre se cumple a < 0.5. Para cada valor de a < 0.5existe un valor correspondiente, dado por (1 - a) > 0.5. .

Los valores de la tabla 2 L8 consideran las distancias mínimas entre

fases (conductor- conductor) ante sobre tensión de maniobra, igualmenteentre fases, ybajo las consideraciones citadas.

21.5.3.3 Tendencias futuras

En vista de que todo ingeniero debe manten,er siempre una visión fUturÍsticadel desarrollo de la técnica, es aconsejable exponer en el presente apartadolas tendencias actuales con apoyo en los estudios llevados a cab.o por el GrupoAd Hoc UHT del CIGRE y en los resultados preliminares obtenidos en varioslaboratorios de ultra alta tensión. .

I

r

J

j

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Año

198(199(

200(

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Ten.

De;tenslas il

Tens

7611,1 O~1,30~1,50~

pral. ción

Prol

En ]pon


Tabla 21.9

Año

.Potencia máxima a ser

transmitida (MW)distancias largas

2,000 a 4,5004,000 a 7,0008,000 a 10,000

Po tencía máxima a

ser transmitida (MW)distancias cortas

198019902000

4,000 a 5,5006,000 a 12,000

10,000 a 22,500

Potencia a ser transmitida

El volumen de energía que será transmitido en los próximos años ejercerá unpapel muy importante en los futuros niveles de transmisión, al igual que ladistancia de los centros de generación a los sitios de consumo. En la tabla21. 9 se indican los valores probables en función de tres aíi.os de referencia.

Países grandes, como la Unión Soviética, Canadá, Estados Unidos, Bra-sil, China, Australia y otros, al igual que aquellos que siendo más pequeñostienen sus fuentes de generación hidroeléctrica muy distantes de los sitios de

consumo, como por ejemplo Venezuela, pueden denotar los requerimientos

señalados en la tabla 21. 9 para distancias muy largas.Las distancias cortas, señaladas en la misma tabla, se aplican para países

con elevada densidad de carga (MWjkm2), tal como se observa en Japón y

Europa Central. Es muy posible que estos países pasen de los 400 kV direc-tamente a los 1,200 kV, sin atravesar los 800 kV.

Tensiones de transmisión

!!\I

I

De acuerdo con los requerimien tos de potencia señalados en la tabla 21.9, lastensiones de transmisión más conocidas en la literatura especializada sonlas indicadas en la tabla 21.10.

Tabla 21.10

Tensión (k V) Capacidad de transporte de la lz'nea (MW)

765

1,1001,300

1,500

3,0006,500

10,00014,000

2,5004,0007,0009,000

aaaa

Estas tensiones, como es de suponer, dan cabida a una multiplicidad de

problemas, que sin profundizar mucho en ellos serán esbozados a continua-ción.

Problemas técnicos

En primer lugar figuran las sobretensiones de maniobra, atmosféricas y tem-porales. Estas últimas, debido a su baja frecuencia y largo tiempo de dura-

'.,- "''''''é "''''''''''."j¡¡;-" -.""."'""""""h."","_",,,¡.:¡¡,;~~" r1~1: r¡ ¡.lI'il!iftll

---


ción, determinarán las características de los pararrayos. Su limitación a valorestolerables será de suma importancia en los niveles citados. En las tablas

21.12 y 21.13 se indican valores tentativos y sus posibles causas dentro del

sistema. Un número elevado de sobre,tensiones temporales implica igualmen-te a su vez un número elevado de sobretensiones de maniobra, siendo el

re enganche o recierre rápido la contingencia más severa, particularmente concarga atrapada. ,

En el dominio de la ultra alta tensión será menester reducir el nivel de

sobretensioncs de maniobra a 2. O p. u. para las tensiones bajas y a 1.50 p. u.para las tensiones altas de transmisión. Esta tendencia se refleja en las tablas21.12 y 21.13.

Las sobretensibnes de maniobra deberán ser combatidas con interrup-tores de potencia adecuada, dotados de resistencias de preinserción, o com-pensando a la línea y drenando a tierra las cargas atrapadas. Algunos sistemasrequerirán simultáneamente de ambas medidas al igua~ que de disposítivosadicionales que atenúen las oscilaciones prov.enientes de los reactores de lalínea. La conclusión de algun'os estudios llevados a cauo soure este particularse indica en la tabla 21.11. '

Tabla 21.11

Metodolog(a aplicada para las sobretensionesde maniobra

Valor máximo de la sobrete.n':;iónen p. u.

ninguna 3.5 o más

resistencia sencilla de preinserción 2.3 a 1.5 (si la línea está com-pensada)

Resistencia múltiple de preinserción

Recierre y cierre sincronizadoResistencia sencilla con sincronización

aproximada1.5 con la línea co~pensada

Drenaje a tierra de las cargas atrapadas

Drenaje a tierra de las cargas atrapadas,

compensación en derivación, resistencia

sencilla de cierre y reducción de la ,~lisper-sión de los tiempos de cierre, es decir,acción combinada de todos estos recursos.

2.8 a 2.Q

1.5

Es de señalar que los dispositivos utilizados en los interruptores de po-

tencia para disminuir la amplitud de las sobretensiones también reducen ladesviación típica o estándar de la distribuCión estadística del fenómeno, pero

incrementan al tiempo de formación de cresta.En los niveles de ultra alta tensión es factible, además, que las fallas a

tierra causen sobretensiones de 1.5 p.u. en las fases sanas. La relación entre

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j

I

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1-


las sobretensiones de fase a fase contra aquellas de fase a tierra oscilará

entre 1.6 y 1.8, según se indica en la. tabla 21.12.A pesar de que las descargas atmosféricas no afectarán apreciablemente

a estos sistemas de UHV, las líneas y sub estaciones de hasta 1,500 kV debe-rán estar dotadas de su hilo de guarda. Los equipos con aislamiento' no

autorrestaurables serán protegidos con la ayuda de pararrayos, para la cualserá necesario diseñarlos sofisticadamente, en particular en lo referente a la

explosión de los mismos.Es posible, además, que el pararrayos se seleccione de acuerdo con dos

criterios diferentes, lo cual podría conducir a dos niveles de protección nonecesariamente iguales entre sí. El primer criterio consistiría en seleccionar

al pararrayos en función de la tensión de operación nominal del sistema, afrecuencia de régimen, que se ve incrementada en las fases sanas al ocurrir

Tabla 21.12 Diseño para tensión de régimen.

Sobretensiones y niveles de aislamiento. Alternativa A.

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Tensión máxima entre fases, Vm kV 765 l 100 1300 1500

Valor eficaz (rms)

Tensión de referencia para los

Ivalores en p.u. de las sobreten- kV 625 900 1060 1225

siones -+ Vm. (V2/.J3)

Tensión de fase a tierra a [re

cuenda de régimen -+ Vm/V3kV 440 635 750 865

Sobretensiones temporales(cj>-T) p.li. 1,50 1,45 1,40 1,35

Factor de falla a tierra p.tL 1,30 1,30 1,30 1,30

Sobretensión de maniobra(cj>-T) p.li. 1,90 1,70 1,60 1,50

Sobretensión de maniobra(cj>-cj» p.u. 3,00 2,90 2,80 2,70

Tensión nominal del descargador(en p.u. y en kV) en función de p.u. 1,30 1,30 1,30 1,30los valores de la fila 3. kV 576 828 972 1 128

Nivel de protección del descar-gador o pararrayos. Impulso kV 1 250 1 730 2030 2360

1,2/50.

Nivel de protección del desear.gador o pararrayos. Impulso p.u. 1,82 1,74 1,74 1,7250/2500. kV 1 135 1 570 1850 2140


Tabla 21.12 (continuación)

Sobretensiones y niveles de aislamiento Altcnzatiüa A.

@

@

@)

@

Notas: 1. Los valores de la fila 14 consideran la posibilidadde aplicar un coeficiente de 1.1 en caso deque no coincidan las sobretensiones maximas deJase a tierra con las de fase a fase.2. Corno nivel básico de aislamiento se considera a la tensión que soporta el equipo (withstalld voltage).

3. Los valores de fase a tierra y fase a fase se indican corno rp- T y'" - . J respectivamente.

pna falla a tierra monofásica. El otro criterio se fundamentaría en las sobre-

tensiones temporales con tiempos de duración de 0.1 segundo. Los pararrayos. . .actuales no pueden drenar a tierra estas sobre tensiones, pues se destruyen,. envista de lo cual será necesario perfeccionar su diseño. La tabla 21.13 conside-

; ra la presencia de sobretensiones te.mporales en el sistema por más de 0.1segundo mientra,s que la tabla 21.12 se fundamenta en el diseño del pararra-

yos p<;trauna sobretensión a frecuencia de régimen de 1.3 p. u.El aislamiento qu(!da entonces dividido en dos grandes grupos, unq pro-

tegido por los pararrayos y el otro sencillamente no protegido, característico

I de los aislamientos autoqestaurables. Los niveles básicos de aislamiento seña-lados en las tablas para este grupo contemplan factores estadísticos de seguri-

-----.- ---

\1

t

i

Nivel de aislamiento ante impul-so o sobretensión atmosférica. kV ..1 55Q 1 675 2100 2250 2400 2550 2700 2900

,"Margen de seguridad" en rel:>.-ción al nivel dado en la fila 9. p.u. (1,24) (1,34) (1,21) (1,30) (1,18) (1,26) (1,15) (1,23)

EQUIPO PROTEGIDO

Nivel de aislamiento ante sobre-tensión de maniobra. kV 1300 1425 1 800 1 950 2 100 2250 2400 2550

I "Margen de seguridad" en rela-ción al nivel dado en la ,fila 10. p.u. (1,15) (1,26) (1,15) (1,24) ,(1,13) (1,22) (1,12) (1,19).

EQUIPO PROTEGIDO

Nivel de aislamiento ante sobre-tensión de maniobra. kV l 300 1425 1675 1 800 1800 1950 1950 2 100

"Margen de seguridad" en rela-ción a los valores de la fila 6. p.u. (1,10) (1,20) (1,09)(1,17) (1,06) (1,15) (1,06) (1,14)

EQUIPO NO PROTEGIDO

Nivel de aislamiento ante sobre-

tensión de maniobra (</> - </>) kV 2400 2550 3 300 3 500 3700 3900 4 150 4400I

"Margen de seguridad" en rela-ción a los valores de la fila 7. p.u. (1,28) (1,36) (1,26) (1,34) (1,25) (1,32) (1,26) (1,34)

(

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0

0

G

G

lo Comportamiento del aiu 867

o

dad de 1.1 a].2 en caso de falla a tierra monofásica. Estos factores le confieren

a una de las torres del sistema un ri~sgo de falla de 10-3 a 10-4.Los niveles básicos de aislamiento entre fases se indican también en las

referidas tablas, pero tomando como base las sobretensiones de maniobraque puedan suceder entre ellas (fase a fase). Algunos valores señalados en lastablas 21.12 y 21.13 han sido adoptados de las recomendaciones de la lEC.

Los márgenes de seguridad dados por los pararrayos para los aislamientos noautorrestaurables son, sin embargo, diferentes.

Aislamientos en el aire

o Para las líneas de transmisión, con aislamiento no protegido por pararrayos,se indican los niveles básicos de aislamiento en las tablas 21.12 y 21.13. De

los apartados anteriores se sabe que la rigidez dieléctrica relativa del aire noes proporcional a la distancia disruplÍva, sino que depende del arreglo elec-tródico, polaridad de la onda incideme, lÍempo de duración de cresta de la

mis!lla y de la distancia interclecuódica.o

Tabla 21.13 Diseño para sobre tensión temporal.

Sobretensiones y niveles de aislamiento. Alternativa B

f1\I

Tensión máxima entre fases, UmV Valor eficaz (rms)

kV 765 1 100 1 300 1 500

Tensión de referencia para los va-

01~res en p.u. de las sobretenciones! kV

U m . (..fti .J3J

625 900 1 060 1 225

~- - -" -- "'''''.w,. "'-"-. --- .., "".'''+''''''''''''n~.

01Tensión de fasea tierra a fre-I kV I I I 750 I 865

J) cuencia de régimen-r 440 635

Um/yf3

G Sobretensiones temporales I p.u. '1,50 I 1,45 I 1,40 I 1,35

(cf¡- T).

G Factor de falla a tierraI p.u. I 1,30 I 1,30 I 1,30 I 1,30

0 Sobretensión de maniobra (rp- T)1.70 I 1.60

I

1.50I

0 Sobretensión de maniobra

2,90 I 2,80 I 2,707 (<jJ-q;)

G Tensión nominal de] descargador

0 Nive] de protección del para-rrayos ante impulso atmosférico(1.2/50) I kV I 1 220 I 1 700 I 1930 I 2150

\.


i!j¡;, Tabla 21.13 (continuación)

Sobretensiones y niveles de aislamiento Alternativa B

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id', if,¡:,"H

,! , Notas: como en la tabla anterior (21.12).

Para distancias de hasta 20 m se conoce actUalmente, y en forma con-

fiable, el comportamiento del aire. Para distancias mayores queda aún rela-

tiivamente mucho pQr hacer, lo cual se ve fuerteme'nte limitado por lasdimensiones que demandan los laboratorios de ultra alta tensión. Los valoresindicados en la tabla 21.14 se fundamentan en los resultados obtenidos hasta

la fecha en diferentes laboratorios de reconocida repUtación.Los espaciamientos señalados, incluyendo los de las tablas 21.12 y

21.13, consideran una derivación estándar de 6% y la recomendación de la

lEC, Pub!. 71, quinta edición del año 72, de que la tensión que sopona elaislamiento (Statistical túdhstand voltage) sea 90% del valor estadístico. La

tensión 50% de ruptura se obtíene entonces dividiendo por 1/(1 - 1.3.u).La forma de los electrodos se considera a través de la corrección con el factor

espinterométrico.

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E

1.

1

1dvecs-tv

P1

I Nivel de pro'tección del para-rrayos ante sobretensiones de : p.u. 1,95 1,89 1,82 1,76maniobra. kV 1 220 1 700 1930 2150

Nivel de aislamiento ante im-

I pulso o sobretensión atmoSféri,ca.kY 1 550 1 675 2100 2250 2400 2550 2 700 2900

"Margen de seguridad" en rcla-ción al nivel dado en la fila 9. p.U. (1,27) (1,37) (1,24) (1,32) (1,24) (1,32) (1,26) (1,35)

,

EQUIPO PROTEGIDO

Nivel de aislamiento ante sobreten '

siones de maniobra. kV 1 300 1 425 1 800 1 950 2 100 2 250 2 400 2550

I"Margen de seguridad" en relaciónIal nivel dado en la fila 10. p.u (1,07) (1,17) (1,06) (1,15) (1,09) (1,17) (1,12) (1,19)

EQUIPO PROTEGIDO

Nivel de aislamiento ante sobre-1300 1425/1675tensiones de maniobra. kV 1800 1800 1 950 '1950 2 100

I "Margen de seguridad" en rela-ción a los valores de la fila 6. p.U. (1,10) (1,20) (1,09) (1,17) (1,06) (1,15) (1,06) (1,14),

EQUIPO NO PROTEGIDO

Nivel de aislamiento ante sobre-

tensiones de maniobra (CP-CP). kV 2 400 2 550 3 300 3 500 3 700 3 900 4150 4400

"Margen de seguridad" en rela-ción a los valores de la fila 7. p.U. (1,28) (1,36) (1,26) (1,34) (1,25) (1,32) (1,26) (1,34)

2.

1 I

1,

, 13.I

I

I14,

1

\15

I,¡I

¡16,I

fI

I

17

I

I I8

-9

lÍento Comportamiento del aire 869

Tabla 21.14

Espaciamientos en el aire (Clearances)

2900

'.l.,

'"

i"1'

o

(1,35)

2550

( 1,19)

2 100

( 1,14)

~'lo

4400

(1,34)

=on-:ela-

las

Distancias mínimas

ores

asta

Las distancias mínimas entre fases y a tierra determinan el comportamientodel campo eléctrico, en particular a mitad de vano. Los efectos sobre seres

vivientes, tales como animales, plantas y el hombre, deben continuar siendoestudiados. Se presumen peligros graves al pasar calniones cisterna llenos de

combustible por debajo de la línea. En el cruce de carreteras y autopistas

será necesalio aumentar la distancia de los conductores sobre el suelo y apan-tallar los conductores energizados. El riesgo de ruptura a tierra, a mitad devano, no es tan grave, pues las distancias mínimas se observan en la torre.

Las servidumbres de p'}so serán. más anchas y costosas y lal vez se im-ponga el valor de 1 a 2 kVjmcomo gradieme máximo al borde de las mismas.

Los niveles de ruido y corona tendrán que ser combatidos con la ayuda de

2 Ye laael

La

°a).=lor

.~~",¡¡.,~", ".".,~."",,;¡¡,~, ,""""r'''', ,..-~,.

1. Tensión máxima de opera-ción, Um kV 765 1 100 1 300 1500Valor eficaz (rms)

2. Nivel de aislamiento del

equipo no protegido antesobre tensión de maniobra. kV 1 300 1 425 1 675 1 800 1 800 1 950 1 950 2 100Valor cresta fase a tierra. (1 950) (2100) (2 250) (2 250) 2400

3. E.spaciamiento en la venta-na estructural de la fase m 5,0 6,0 7,0 8,0 7,5 9,0 9,0 10central (conductor-estruct.)

4. Altura de los aisladores m 4,5 5,0 6,0 6,5 6,0 7,0 7,0 8,5de soporte. (7,0) (8,0) (9,5) (9,0) (10,5)

5. Distancias de las barras a m 5,0 6,0 7,0 8,0 7,5 9,0 9,0 10tierra. (9,0) (10,5) (12) (12) (14)

6. Nivel básico de aislamienroentre fases para sobretensión kV 2 400 2 550 3 300 3 500 3 700 3900 4150 4400de maniobra.

7. Separación entre conductores m 6,5 7,0 12,5 14 16 18 21 24o barras energizadas.

8. Tensión de régimen perma. kV 440 635 750 865nente entre fasc y ticlTa.

9. Longitud de la cadena de ais-ladores para contaminación m 5,6 8,3 9,7 11,2promedio.


11l.i'

varios subconductores por fase. Haces de hasta 12 y 16 subconductorespodrían llegar a imponerse.

En la tabla 21.15 se indican los espaciamientos mínimos para las líneasde transmisión fundamentados en la siguiente relación:

d es la separación mínima de losconductores y las panes metáli-

cas de la torre que los sustentao amarra.

h = 5 + 1.4( d) dondeh es la altUra mínima de los con-

ductOl"eS sobre el suelo o mitadde vano.

Para las subestaciones del sistema tienen validez otras consideraciones.

En ellas, por ejemplo, se. ha tratado de limitar el gradi~nte eléétrico sobre elsuelo a la kV/m, inclusive durante las sobre tensiones temporales. Las dis-tancias entre los polos abiertos de los seccionadores se han consideradoigual a 1.2 veces la distancia de fase a tierra. De esta manera se garantiza un

nivel de aislamiento d~ 1.5 veces superior al de la sobretensión de maniobraentre fase y tierra. . .

En la tabla 21.16 se indican los valores para las subestaciones de ultraalta tensión con base en los resultados obtenidos en varios laboratorios y bajolas condiciones citadas.

Otras conside'raCiones, tales como las de naturaleza económica, áreas

mínimas requeridas por los equipos, tamaño' de los transformadores, etc., sibien son de importancia, dejan de estar estrechamente correlacionadas con

Tabla 21.15

Espaciamientos de las Une,asde transmisión

Tensión nominal kV 765

Entre conductor y la torreA mitad de vano

Longitud de la cadenaAltura de la torre(arreglo horizontal)Ancho de la línea m 42Derecho de paso m. 85Potencia transmitida MVA 3,000Potencia por metro de ancho

fMVA

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del derecho de paso ~

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6.3.39 '

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Estos son valores tentativos, pues si se comparan las tOITesde EDELCA (figura 21.38) con los valorestabulados, se observa una apreciable desviación, en particular a la separación entre fases (15 m), a laaltura mínima de los conductores a mitad de vano (21 y cuando menos 16 m) y al derecho de paso(120 m).

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el tema en cuestión, motivo por el cual ellecror interesado en ellas debe re-

mitirse a literatUra especializada.

Tabla 21.16

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Parámetros de diseño en las subestaciones

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Tensión nominal kV 765 1100 1300 1500

1. Distancias en el aire.

Altura de las estructuras con

aisladores de soporte. m 4 6 7,5 8,5

Entre las fases de las barrasde la subestación. m 7 14 18 24

Espaciamientos de seguridad. m 7,5 15 19 25

2. Transformadores,longitud/altura m 10/5 10/5 13/6 13/6

3. Espaciamientos a tierra.de los seccionadores m 7,2/6,5 9,6/9 11/10,5 13/12,5distancia/altura

4. Barras.

longitud de las principales m 85 140 180 220

barras de la S/E y de lassecundarias m 37,5 65 85 110

5. Bahías (bays).

Reactor de barra (longitud) m 29 42 52 60

Longitud total de la bahía m 150 248 316 390

ancho de la bahía m 26 48 62 82

(Las bahías de los transforma-dores de potencia y de laslíneas son más cortas.)

6. Altura de las torres m 30 50 70 90

7. Areas requeridas

por una bahía m2 3 920 11 900 19 500 31 750

por una S/E de 7 bahías m2 29 000 88 000 145 000 233 000

872 . La coordinación del aislamiento

I -¡i!!

En el infonne Ad Hoc UHT del CIG RE también se analizan otros fac-

tores, como por ejemplo el de la densidad de potertcia (Surface power den-sity), el cual está estrechamente relacionado con el área afectada y la potencia

que se maneja dentro de la subestación. 'Los valores más frecuentes que seespera ocurran en la práctica son las' siguientes en ~vJVA/m2: 0.84 para elnivel de tensión nominal de 765 kV, 0.56 para 1,100 kV, 0.51 para 1,300 kVY finalmente OA5 para el máximo nivel de tensión considerado, 1,500 kV. Esimpon;ante destacar que para la misma potencia el área requerida se incre-menta al aumentar la tensión de transmisión.

Un serio inconveniente que se presenta en las subestaciones de ultra alta

tensión es el de la elevada concentración de cargas. Por ejemplo, para cadalínea de 1,500 kV que llegue a la S/E se necesitarán de 3 a 5 líneas de

765 kV o de 12 a 15 líneas de 400 kV para el nivel de subtransmisión.Las potencias máximas que se esperan para los transformadores de po-

tencia ascienden a 2,000 MV A para los transfonnadores clevadores y a 3,000MV A para los autotransfonnadores.. Esto es un desafío adicional a la técnicaque promueve el salto 'hastalos 1,5QO k V.

21.6 APANTALLAMIENTOS. fiLO DE GUARDA

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El apantallamiento .de las líneas de transmisión se ha venido practicando,

desde hace muchos años;y es bien sabido que mientras menor sea el ángulode protección (J más efectivo ser~ el apantallamiento dado por el hilo. de

guarda (figura 21.3 7)~Lamentablemente la mayoría de los estUdios relacionados con este

tema se refieren a torres cuya altura máxima es de 3 O m. A partir de la dé-cada de los 50 es cuando se comienzan a considerar torres de 45 m de altUra

que soportaban simultáneamente dos ~ircuitos!Ultimamente se están estU-diando los apantallamientos (shieldings) de torres de hasta 55 m de altura,como las utilizadas por EDELCA en el sistema de Transmisión a 800 kVGuri-Centro (figura 21.38). Sin embargo, una recomendación final sobre elapantallamiento tnás efecIÍvo aún no ha sido publicada para torres de ultraalta tensión.

A continuación se mencionan los métodos más Utilizados hasta la fecha,

para luego, en los tópicos especiales, entrar en detalles sobre las tendenciasactUales. . ' ,

Hasta el presente se han considerado estUdios empíricos y 'analítico~. Lamodelación a escala no ha arrojado los frÚios esperados debido al compona-miento no .lineal de la ruptUra final de la descarga atmosférica. El conocimien-to del nivel isoceráunico a tr.avés de varios años de observación y medic~pn

es de suma importancia, pues se logran sustanciales ahorros en el dimensio-

namiento del apantallamiento y las distancias mínimas entre fases y a tierra.

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ApantallarnientQs. Hilo de guard<l 873

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Figura 21.37 Modelo electrogeométrico utilizado por Brown y Whitehead enel análisis del apantallamiento dado por los hilos de guarda.

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Método de Burgsdorf-Kostenko

Burgsdorf dio a conocer una fónnula empírica para la probabilidad (P8) deque fallara el apamallamiento, sustentándose en la camidad de descargas

atm'osféricas que ignorando al hilo de guarda inciden directameme sobre losconductores activos. Esta cantidad se expresa entonces como un porcemaje

de la camidad total de rayos que caen sobre la línea. La probabilidad no esuna función del ángulo de protección, en vista de lo cual Kostenko propusola siguieme relación:

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log¡oPo =evlh/90- 2 (21.53)

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La coordinación del aislamiento

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mín. 21 m

(distancias en metros)

Figura 21.38 Torre de EDELCA

(800 kV) con un ángulo de pro-tección de 2?o

donde se considera a la altura h de los hilos de guarda sobre el suelo. El nú-

mero de veces que falla el apantallamiento se establece con la ayuda de ladensidad de rayos a tierra Ng (Groundflash density) y el área de atracción delhilo de guarda; ésta será mayor mientras más aItose encuentre emplazadoel hilo o conductor de gUarda.

r El conocimiento del pa'rámetro Ng es de importancia en el diseño de laslíneas de transmisión; lamentablemente en la mayoría de los países se sabemuy poco acerca de él. El CIGRE ha recomendado incluso aparatos adecua-dos para la obtención de información referente a la actividad ceráunica(capítUlo lO) de la zona afectada por las líneas en cuestión.

Si no se dispone de información fidedigna se puede ,utilizar como unaprimera aproximación la relación de la AIEE, que se expone a continuaciónpara la cantidad N 1 de rayos que inciden en la línea con torres cuya alturamáxima es de 2 O m.

Nj = 62(DT)/30 descargasflOO km. años (21.54)

donde DT son los días de tormenta. Para alturas de 25 a30 m los rusos re-

comiendan también la siguiente fón;nula empírica, que considera la alturasobre el suelo del hilo, de guarda:

NJ =2.7 .H (DT)/30 descargas/IOO km . años (21.55)

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Apantallamientos. Hilo de {!;uardn 875

Volviendo a la fónnula de Kostenko, puede estimarse el número de ve-ces que falla el apamallamiemo multiplicando Pe 1100 por el número NI derayos que caen sobre la línea cada 100 km y cada año. Las fórmulas 21.53 y21.55 tienen en común la misma 'fueme de observación, de allí que puedan

acoplarse muruamente sin incurrir en mayores errores. En la práctica se ob-serva que sólo una porción de las fallas de apamallamiento conduce a descar-gas en la línea.

La sobretensión atmosférica, causada por la descarga de un rayo sobre la

línea, está expresada por la conocida relación (capíIUlo 10)

U =l'Zs - 2 (21.56)

donde Us es el valor cresta de la sobretensión, l la imensidad de corrieme dela descarga que se divide en partes iguales al desplazarse a través del conductorafectado y Z la impedancia de onda del mismo. Esto permite suponer que

existe una intensidad de corrieme crítica que conduce a la ruptura del medioaislame, a saber:

2'UdSO%

le = Z (21.57)

Burgsdorf proporcionó también una fónnula empírica para la probabili-dad de que una descarga atmosférica exceda a un valor determinado de lacornente,

loglOP1 = 2 - I(kA)j60 (21.58)

El número de fallas por apantallamiento que conducen a una rupIUra odescarga del medio aislame de la fase afectada resulta ser emonces:

N f !la =N .P .p .10-4. a sIl e (21.59)

Método de Whitehead

Es de procedencia analítica y su importancia estriba en que ha podido serverificado ampliameme en numerosos ensayos de campo en torres de hasta45 m de altUra. El pumo de partida es la distancia disruptiva ra (figura21.37), para la cual la descarga piloto del rayo puede alcanzar y exceder algradieme crítico (de ruprura) en su trayecto hacia un objeto a tierra, en estecaso el hilo de guarda. Una \fez que se ,alcanza la distancia ra el gradiemeimperame emre la descarga piloto y la parte conectada a tierra (3 a 6 kV jcm,

segÚn varios autOres) obliga la separación de cargas eléctricas del objeto a

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876 La cooTdinación del aislamiento

tIerra, que salen en busca de la descarga piloto. be eS,ta manera el rayo alcan-za su meta.

En vista de que el valor .promedio del gradiente de ruptura contra unplano o placa conectada a tierra pnede variar respecto a un conductor, Whi-tehead introduce el siguiente fáctor'de corrección, que debe ser verificado enla práctica:

: kt = rt/ra (21.60)

~"

La distancia disruptiva denota dep~ndencia respecto a la carga el¿crricade la descarga piloto, que ejerce influencia sobre el valor pico o de cresta dela corriente del rayo. Para ella establece Whitehead la siguiente relación:

ra = 6. 7(I~.8) (21.61) ,

"!,

, ,

donde el subíndice r se refiere al rayo. La cOlTieme se indica en kA y la dis-tancia en m. La corriente del rayo no siempre denota el mismo valor, de allí

que para ca,da valor de la corrieme se tengan también dos valores para las

distancias, un~ para rt y el otro para ra' Ambos definen entonces el planoABCD (figura 21.37), que contienela zona expuesta Be. Esto quiere decirque todos los rayos que pasen por BC se considera que caerán sobre el con-ductor activo (una de las fases laterales).

De la figura 21.37 puede deducirse que el arco BC encoge al aumemarla intensidad d~ corriente de la descarga. Si se incrementa ra llegará un mo-mento en que sea igual a cero, para un valor determinado que se llamará

ra2' Corrientes pequeñas requieren igualmente de valores menores de ra' y laexposición aumenta hasta alcanzar la distancia crítica ral' correspondiente ala corriente crítica dada por larclación 21.57. En consecuencia, por debajode este valor no, puede ocurrir ninguna descarga a través del aislamiemo. ElapantaIlamiento efe,ctivo del hilo de guarda,demanda entonces que se cumpla

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~!ral :::"",ra2 (21.62)

El número total de rayos que conduce a descargas en el medio aislante

se obtiene entonces integrando desde ral a ral' lo cual resulta'muy interesan-te en aquellas IÍnea,s que sólo disponen de un apamallamiemo efectivoparcial. '

Brown y Whitehead pudieron sofisticar aún más las consideraciones an-teriores considerando una disrribució!1 de la densidad de los rayos a tierra

(Ng) en función del ángulo de aproximación o ataque de la descarga pilotodel rayo ('l'). Esta alcanza entonces su valor máximo para rayos verticales ysu mínimo (cero) para rayos horizontales.

Puede concluirse que el criterio de apamallamiento dado por la relación21.62 debe cumplirse para cualquier punto de la línea. Al llevar a cabo la

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Diseño del aislamiento

integración sobre los valores extremos es importante considerar las limitacio-

nes geométricas del ángulo de ataque o incidencia, 'lt. Las características delterreno afectado por la línea, en particular si se trata de montañas o zonas

boscosas, con árboles gr.andes relativamente cerca de los conduCtores, ejercen

una gran influencia sobre las consideraciones anteriores.Los valores más frecuentes de kt (relación 21.60) oscilan alrededor de

0.9. Para muchas consideraciones prácIÍcas se considera frecuememente

kt = 1.0.Es de esperar que en un fu tUro cercano se puedan concluir estUdios

sobre el apamallamiemo en líneas de ultra alta tensión, debido a la fuertelimi tación que ofrecen los méwdos citados en lo refereme a la altura de latorre.

Otros métodos

Berger (ETH, Zurich) ha podido analizar por espacio de muchos años el com-

ponamiento del'rayo y la forma en que afecta las líneas de transmisión. Aligual que otros autores critica la extrapolación de las distancias disruptivas de

lOa 100 m, debido a que la descarga piloto reduce su gradieme hacia la cola,al igual que las figuras de Lichtenberg. ,

Más adelante se verá que el área en que un rayo puede alcanzar a unconductor emplazado a una alTUra h sobre el suelo está determinada por unaparábola, siendo ésta entonces el lugar geométrico de las distancias igualesentre el conductor y tierra. La distancia máxima que puede ser vencida por el

rayo es una función de su intensidad de ,corriente (cap. 10). La probabilidad

de que el rayo incida sobre el conductor se expresa en función de la citada al-tura h,.su intensidad de corrien te y la cercanía al plano del mismo.

21.7 DISENO DEL AISLAMIENTO

Utilizando como referencia las consideraciones anteriores y lo expuesto enlos subcapítulos y apartados precedentes, se procederá ahora, para finalizar

este importante capítUlo, a abordar los diseños del aislamiento, según losmétodos convencionales o clásicos y según las tendencias aCtuales.

21. 7.1 Método convencional

El diseño convencional del aislamiento pane de valores fijos, normalizados

para los equipos mayores que van a conformar el sistema, al igual que de losvalores máximos que pueden denotar las posibles sobretensiones. La diferen-

cia entre ambos valores (aislamiento contra sobretensión máxima) se sueledenominar nivel de seguridad convencional, y la experiencia exige que no seainferior a ciertos valores verificados en la prácIÍca.

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878 La coordinación del aislamiento Diseño

Si se utilizan dispositivos de protección para limirar las sobretensiones,entonces el nivel de protección es igual a la sobretensión máxima que sé ob-serva en el borne de los mismos respecto a tierra. En el caso de un pararrayos

autoválvula (capírulo :17) ,el nivel de protección vendría dado por la tensiónresidual, Up al derivar a tierra la intensidad de corriente de derivación con su

valor nominal (la ó 2 O kA, según el caso).

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Ejemplo. Un transformador de potencia de 123 kV se encuentra a laentrada' de una subestación y un rayo incide sobre una de las líneas quelo alimentan, no muy distante de la subestación.

En la figura 21.39 se indica el comp.ortamiento de la tensión en el pa-rarrayos (2), en el punto de conexión de éste a la línea (1) y en el trans-formador (3). Para una distancia máxima de 15 m al sitio, de incidenciadel rayo, con una' pendiente inicial de 1,100 ~V/J.l.s, la sobretensiónmáxima en 'el transformador ascendió a 570 kV. Este valor se observa

para una corriente del rayo de 10 kA Y una tensión de disparo o cebado

del pararrayos de 132 kV.A títUlo comparativo se ilustra en la misma figura la onda cortada del

rayo con un valor de crestá de 630 kV, la cual, en vista del relativamen-

te corto tiempo de la solicitación dieléctrica, se puede considerar como

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200

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Figura 21.39 Efecto protector de un pararrayos de

13 2 kV sO,bre un transformador de potencia de 123kV. aB es' el lugar de incidencia del rayo sobre lalínea, aT la distancia entre el pararrayos y el trans-

formador y 3z la conexión del pararrayos a la líneaLa impedancia de onda de la línea es Zr =460 f2.

j =10 kAI B 1 3

11 I a B =150 m .8T=15mI

ZF =460 51 ZF =460 51II dZ Lz =10J,lH'I 2I

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879Diseño del aislamiento

la tensión de impulso atmosférico que soporta el pararrayos diseñadopara una onda plena de 550 kV. El nivel de seguridad sería en este caso630/570 = 1.1, lo que da un margen de 10%.

No obstante, si se considera que el pararrayos de 132 kV suministra

un nivel de protección de 375 kV, para un impulso atmosférico de550 kV el nivel de seguridad sería el dado por 550/375 = lA 7.

Esto obliga a diferenciar los dos niveles de seguridad citados. lA 7

viene siendo el nivel de seguridad convencional fonnal, miemras que1.1 constitUye el nivel de seguridad real.

En la figura 21.40 se ilustra el efecto protector del pararrayos en fun-ción de la pendiente de la onda incidente para las condiciones dadas enla figura anterior. Si se desea un nivel de seguridad real de 1.15, la pen-diente máxima permitida sería aproximadam.eme igual a 800 kV/Jls. Yapara 1,500 kV/Jls, por ejemplo, no existiría ningún nivel de seguridad.

Como se ha podido apreciar, el aislamiento interno no autorrestaura-ble demanda la protección con la ayuda de un descargador de sobreten-siones o pararrayos. En la figura 21.41 se expone el gráfico clásico conmárgenes de seguridad de 15% y 20% según el tipo de solicitación die-

léctrica que se considere (STR = Sobre tensión de Rayo, es decir, im-

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700

kV

-600>-::.::

...o-g500E....81::400~+-'

630 kV

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~ 300 (aT= 15 m)Ex (

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máximo -1 seguridad ),4decreciente

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O 500 1000 1500 2000 kV!¡;.s 2500Pendiente inicial (kV!jls)

Figura 21.40 Efecto protector de un pararrayosde 132 kV en función de la pendiente de la on-da incidente y nivel básico de aislamiento deltransformador.

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880 La coordinaf:ión del aislamientoDiseño

CRESTAkV

EL PARARRA YO S o DESCARGADOR- PUEDE PROTEGER - NO DEBE ACTUAR POR STT- NO DEBE SER MUY

EXIGIDO

21.7

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AISLACIÓN INTERNALINEA

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MARGEN> 15%Conrealicab(

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STT

MICROSEGUNDOS

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Figura 21.41 Representaciól1 esquemática de la protección dada por un para-

rrayos au toválvula en el diseño convencional del aislamiento. Las diferentes

sobretensiones se consideran en el eje correspondiente al tiempo.

pulso atmosférico, correspondient~ a _Sobre tensión Externa, SE; lassobre tensiones internas, STI, se agrupan en Sobre tensiones de Maniobra,STM, y Sobretensiones Temporales, ST). Como ya se mencionó, eldescargador o paranayos no debe a<;:mar ante sobre tensiones tempora-les, limitándose, su actUación en este caso a las sobre tensiones atmosfé-rIcas.

---'"-'''''

Diseño del aislamiento 881~to

21. 7.2 Tendencias actuales

Los métodos modernos se basan en el componamiemo estadístico de las

sobretensiones, a las que se había denominado como "esfuerzo" al comien-

zo de este capítulo (ver 21.2.1.1), y a la capacidad del aislamiento de so-portar sus solicitaciones, que se convino en llamar "rigidez". La probabili-

dad de falla de que el aislamiento se vea afectado por una sobre tensión es elresultado de que el esfuerzo sea mayor que la rigidez. En la figura 21.42 seilustran de nuevo las curvas características del concepto "esfuerzo-rigidez" y

la procedencia de los datos en que se susteman las mismas.

Datos del esfuerzo

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I:J41¡l'"

Con frecuencia proceden, según se indica en la figura 21.42, de estUdiosrealizados en analizadores de redes transitorios (TNA). En éstos se llevan acabo,. por ejemplo, doscientas (200) operaciones de maniobra con los inte-

rruptores, por ejemplo energizando UI1 sector de línea o a cualquier otro

tramo de interés que contenga reactores, transformadores, etc. Para cadaoperación del interruptor se mide la tensión de fase a rierra de cada una delas fases en cuando menos cuatro (4) sitios diferentes de la línea. Según el

criterio empleado se diferencian dos casos:

f (esfuerzo)

f (rigidez)

ESFUERZO (STRESS). Se obtiene

de estudios teóricos con la ayudade analizadores transitorios de

redes de programas digit'ales. Pre-valece la distribución de la sobre-

tensión de maniobra (250/2,500).

RIGIDEZ (STRENGTH), Se obtienegeneralmente a través de numerosaspruebas en los laboratorios de altatensión. Prevalece la distribución dela rigidez ante solicitaciones de im-pulso de maniobra (250/2,500),

--

..- ,~-, " '¡"-"''',"'!J'''':

tensión (kV)

área representat ¡vade la probabilidad

de falla

Figura 21.42 Representación de la distribución del esfuerzo y la rigidez y la

probabilidad de falla con la posible fuente de datos.

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882 La coo,-dinación del aislamiento

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ex)Para cada, operación y caso estU~iadb se trata de obtener la distribu-ción de las sobretensiones máximas que se presentan bajo las condi-

, ciones consideradas para cualquiera de las tres fases del sistema. Elvalor obtenido es la distribución de la sobretensión de maniobra para

operación trifásica del interruptor de potencia.(3)Para cada operación y caso estUdiado s~ trata de obtener la distribu-

ción de las sobretensiones ,máximas para cada una de las fases. Elvalor obtenido es entonces"la distribución de la sobretensión de ma-

niobra para operación monofásica del interruptor de potencia.

Si se llevan a cabo las 200 operaciones citadas anteriormente se obtienen

200 caso's según el crit'erjo a y 600 (200 X 3) según el b. La relación' de 1:3 sefundamenta en las tres.(3) fases del sistema. A pesar de que el criterio. b esinferior al a, existe cicna'preferenciapor el primero, con miras a utilizar lamayor cantidad de datos' posible. En realidad, ninguno de los dos es 100%correcto y no diferencia las sobretensidnes de polaridad positiva de las nega-tivas. Como primer punto de partida, en el diseño del aislamiento de un nuevosistema ambos criterios, son de mucha utilidad, a pesar de las limitacionescitadas,

La otra fuente de datos está dada por los compUtadores digitales, paralos cuales se han desarrotlado excelentes programas de sobre tensiones. El

advenimiento de los microcompUtadores ha permitido, además, el desarrollo

de nuevas técnicas, al igual que el uso de computadores híbridos (analógico-digitales), donde el analizador representa la parte analógica.

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Datos de la rtgt'dez

Se obtienen en los laboratorios de alta tensión fundamentándose en los pro- .

cedimientos de prueba o ensayo recomendados por las normas. Mientras máspruebas se ejecuten más confiables son los valores promedio obtenidos. El

número de ensayos para cada nivel d~ tensión puede ser, como ya se mencionóanteriormente, '15, 20,40 y hasta 100.

Algunos de los procedimientos normalizados más Utilizados en la obten-

ción de datos estadísticos ya fueron' citados en los subcapí tulos y apartadosprecedentes. '

A continuación se expondrá una sugerencia de la lEC, elaborada porLuigi Paris del ENEL para el diseño del aislamiento de un sistema de extra oultra alta ten,sión, que al mismo tiempo considera tanto al aislamiento con-vencional como a las tendencias actUales y futUras.

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!21. 7.2.1 Sugerencia de la lEC

¡,¡, Primero se describirán brevemente las características más relevantes del aisla-

miento, los esfuerzos a los que se ve sometido en la operación comercial de

los sistemas, para luego concentrarse en el procedimiento de diseño sugerido "

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Diseño del aislamiento883

1p.u.- - - - - -

Figura 21.43 Tensión nominal de operación afrecuencia de régimen (50 ó 60 Hz).

para los sistemas de extra y ultra alta tensión. Finalmente se tratará el en-foque que se le deb'e dispensar a las pruebas en los laboratorios, considerandoel comportar.Üento probabilístico del aislamiento autorregenerable.

Esfuerzos dieléctricos

A estas altUras se sabe que la coordinación del aislamiento se fundamenta en

el esfuerzo y en la rigidez. Esta última representa el monto de la inversión,

pues a mejor aislamiento menor riesgo de falla, y viceversa.

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Figura 21.44 Clasificación modernade las sobre tensiones en función de

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884 La coordinaÚón del aislamiento

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. El aislamiento en realidad se ve constantemente sometidoal'esfuerzo

dado por la tensión; de régimen (figura 21.43), la cual nunca debe exceder1 p.u. Si se reduce este valor para exponer menos al aislamiento, no puedetransmitirse la misma potencia. Es decir, la tensión de régimen no puede ser

modificada y su constante presencia podría atacar al ai~lamiento durante susmomentos débiles (por ejemplo extrefQ.a humedad, élevada con~aminación,

etc.). Las otras solicitaciones, dieléctricas son las correspondientes a las sobre-tensiones atmosféricas, de maniobra y temporales (figura 21.44), que si bienexc;eden el valor de 1 p.u. (de allí el nombre de sobretensión), denotan uncorto tiempo de duración y atacan al aislamiento no necesariamente durantesus momentos débiles. Las sobre tensiones, en consecuencia, envejecen sóloraras veces al aislamiento.

El aislamiento del sistema no deben'a fundameinarse únicamente en las

sobretensiones, ya que éstas pueden ser reducidas a su mínima expresión,con la ayuda de dispositivos de protección (por ejemplo pararrayos) o tam-bién controlando las fuentes que la producen (válido para las sobretensionestemporales y de maniobra). El costo de los dispositivos de protección aún semantiene muy por debajo del costo de los equipos que deben ser protegidos,

- y esta tendencia parece sostenerse en los sistemas de extra y ul'tra alta tensioÓn.Tampoco es recomendable que el aislamiento se reduzca a valores

extremos una vez que se hayan controlado las sobretensiones, pues la tensiónde régimen entraría a júgar un papel determinante.

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En los niveles de extra y ultra alta tensión el aire desempeña un papel predo-

minante. Las cadenas de aisladores que sostienen a los conductores en elmedio aire han venido creciendo a razón de un elemento estándar por cada12 Ó 13 kV de incremento en la tensión nominal. Esta tenden¿ia en el

aumento de la longitUd de la cadena parece sostenerse en los niveles moder-nos y futuros de transmisión (hasta 1,500 kV). .

En Venez\lela, para mencionar un ejemplo no sujeto a contaminadónsevera, el número de element'?s por, cadena ha evolucionado de la siguieine.manera: -

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La distancia entre las partes energizadas y tierra, no '.ha crecido enforma proporcional ti.la tensión, debido más que todo a la incorporación denuevos aisladores de m~jores características dieléctricas y al uso de cadenasen V. Las distancias más frecuentes son las siguientes:

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DiseÚo del aislamiento

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Figura 21.45 Variación de las distancias de aislamiento mínimas en el aire, re-feridas a la ventana central de una torre de transmisión, en función de la

máxima tensión nominal de operación.

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-máxima tensión de operación Um (kV)

Figura 21.46 Máximo nivel de sobretensión de maniobra permitido en fun-ción de la máxima tensión nominal de operación. Se diferencian los siguientescasos:

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a) sin reencendido.b) con una resistencia de1fierre (preinserción).e) con control absoluto de la operación de cierre en el interruptor de

potencia.

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La coordinación del aislamiento

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245 365 765 1050 1500525 -máxima tensión de operación Um (kV) '.

Figura 21.47 Salidas de línea ocasionadas por .el rayo (fallas/lOO km x año)conapantallamiento perfecto en función de la tensión máxima de operacibndel sistema.

3 m5.5 m

10m

para 400kV.765 kV

1500 kV

En la figura 21.45 se ilustra el espaciamiento (clearance) en el aire,

mientras que las figuras 2:1.46 y 21.47 a las máximas sobretensiones permi-sibles, de maniobra y atmosféricas, respectivamente, en función de 'la tensión:'máxima de operación del sistema. Se puede apreciar que la capacidad deaguante (rigidez) del aislamiento ante sobre tensiones de maniobra decae rá-pidamente a medida que la tensión de operacibn aumenta. ESlO se debe alconocido .efeclO de satUración de la rigidez ante este tipo de esfuerzo.

En contraste con este comportamiento se observa que el valor en p.u.de las sobre tensiones atmosféricas permanece casi constante; es decir, mien-

tras mayor sea la tensión de operación del sistema, menores serán las salidas de

línea por esta causa, salvo que el apantallamiento falle. Los sistemas de 300 Ymás kV no se ven, en consecuencia, tim afectados por el rayo como los detensiones inferiores.

A partir de lbs 400 kV el aislamiento ,ante impulsos atmosféricos nocrea ningún problema y por encima de los 500 kV las salidas de línea porrayos se reducen a su mínima expresión,. salvo que erapantallamien~o no seaconfiable. . .

Las cadenas.de EDE,LCA para 800 kV, provistas de 37 aisladores, so-

portan impulsos aimosféri€os de hasta 3.2 MV (1.2/50), según se pudó veri-ficar en repetidas oportUnidades en el laboralOrio de alta tensión (bajo

condiciones secas y libres de contaminación). .

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Diser"iodel aislam¡ento 887

Métodos convencional y estadÚtico

El enfoque clásico de la coordinación del aislamiento, como ya se ha podidoapreciar en los subcapÍLUlos precedentes, se vio fuenemente revolucionado

por los nuevos niveles de tensión, en panicular por aquellos con 525 kV. Lasobretensión de maniobra entró a desempeñar un papel muy importante,desplazando al impulso atmosférico y al conocido BIL a un plano secunda-rio, cuando menos a panir de los 400 kV. Fue necesario establecer unanueva forma de onda para simular en el laboratorio a la sobretensión de ma-niobra y una vez acordada ésta (250/2,500) entró en cuestionamiento laejecución de pruebas a frecuencia de régimen.

Ouo factor muy imponante que fue registrado rápidamente es la eleva-da dispersión de las sobre tensiones de maniobra respecto a las provenientesde descargas atmosféricas. En efecto, el comportamiento del aire ante impul-

sos de maniobra está sujeto a una incenidumbre mucho mayor, lo cual cues-tionó al procedimiento clásico de diseño y fomentó, a su vez, el uso cada vezmás creciente de métodos probabilísticos en la ejecución del aislamiento y suconcepción básica. Hoy en día se fomenta cada vez más la convicción de queel aislamiento, cuando menos el autorrestaurable, debe ser concebido en fun-ción de términos y contingencias sujetas al azar, como de por sí lo son larigidez dieléctrica del medio aislante y el mismo esfuerzo o solicitación die-léctrica.

El Método convencional, ya tratado anteriormente, se puede exponer enforma muy sencilla con la ayuda de la figura 21.48. Se determina la posiblesobretensión máxima que se puede presentar en el sistema y se selecciona uncieno margen de seguridad, de manera que el aislamiento pueda soportarun esfuerzo máximo. Dada la naturaleza probabilística de las magnitudes in-volucradas (esfuerzo y rigidez), no se tiene seguridad si el aislamiento se-leccionado, con su respectivo margen, va a soponar la verdadera sobretensiónmáxima que se puede presentar en el sistema. Este criterio, como es de supo-ner, es arbitrario y, en consecuencia, inaceptable para un sistema de extra oultra alta tensión.

El Método estadÚtico se fundamenta en el conocimiento de la función

de probabilidad, definiendo los parámetros sujetos al azar (esfuerzo y rigi-dez). Es bien sabido que si se considera una sobretensión perfectamente bien

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Figura 21.48 ~létodo convencional empleado en el dise-

ño del aislam.iento.! El nivel básico de aislamiento (BIL)indica lo que éste puede soportar con esfuerzo dieléctrico

(sobretensión).

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definida, causada por ejemplo por la energización de un tramo de línea o por

la incidencia de un, rayo (sitio A de la figura 21.49), la amplitud o valormáximo de 1á.sobretensión no puede ser predicha de,antemano cQn exactitud.

Es posible, sin embargo, que pueda predecirse la probabilidad de que lasobretensión denote cierto valor en el intervalo A U.Esto implica que sí pue-de representarse gráficamente la densidad probabilística del valor pico de lasobretensión,. pues por lo general se c()llocen'las causas que producen las des-viaciones en la recolección de los datos en cuestión. ' '

Si se le aplica una: sobr~tensión a un aislamiento no existe una plenase-guridad de que conl1evar~ ~ una ruptura o no, sólo es posible definir la proba-bilidad de que esto ocurra. En la figura 21.50 se ilustra la probabilidad deruptura para un número de pruebas infinito, aplicable sól~ a ,aislamientQs du-torrestaurables, aunque también, si bien en forma limitada, a aislamientos noautorrestaurables. ,

Si se determina la probabilidad de ruptura de un aislamiento ante unimpulso de sÓbretensión de forma de onda conocida, -V, se obtiene la función'

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Figura 21.49 Conceptos probabilísticos para so-bretensiones.

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~nDiseiio del aislamiento 889

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Figura 21.50 Conceptos probabilísticos parala ruptura o descarga en el aislamiento.

probabilísrica de descarga, con la cual se puede definir la capflcidad de aguan-te del aislamiento, es decir, de su rigidez ante la solicitación dada. Con estecriterio se tendría ya una idea más clara sobre el nivel básico de aislamientonecesario para soportar la contingencia. El conocimiento de esta función esde suma imponancia para el ingeniero de planificación que se encarga decoordinar el aislamiento.

Una vez conocidas las funciones de densidad probabilísrica de la sobre-

tensión (esfuerzo) y de la capacidad de aguante o rigidez del aislamiento, através de la probabilidad de ruptUra, puede estimarse el riesgo de falla comose hizo en 21.2.1.3. En la figura 21.51 se ilustra de nuevo este concepto.

Primero se determina la densidad probabilística de que el aislamiento falle a

través del producto de las ordenadas- de ambas curvas y la integración de

esta función suministra al riesgo de falla.Si se incrementa la rigidez dieléctrica del medio aislame, disminuye el

área: entre ambas curvas (figura 21.52) y la probabilidad o riesgo de falladisminuye, pero incrementándose el costo o momo de la inversión. El aisla-miento más apropiado es el que se selecciona como un compromiso entre el

costo y el riesgo de falla.


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Figura 21.51 DeteITIlinación dd riesgo de falla con la ayuda de la's curvas dedistribución de la sobretensión (falla f) y de la probabilidad de ruptura P delaislamiento:

.;'.Las nuevas rec,omendaciones de la lEC sugieren la disminución del ries

go de falla a un valor raz'onable. La aplicación estricta de estas recomendacio-nes pennite, además, abordar otro tipo de problemas, como el dado por eldimensionamienw de los dispositivos de protección.

Si se desea obtener mayores beneficios del méwdo estadístico es nece- ,

sario conocer las caracte~ísticas del aislamiemo sujetas al azar. Hoy en día se ,

dispone en realidad de un con,ocimiemo más profundo al respecto, perolimitado a los aislamientos autorrestaurables. Los experimentos y ensayoscon los aislamientos no autorrestaurables son mucho más costosos, de allí

que el conocimiento al respecto sea más limitado. "

Es por esta razón que la lEC en su nueva recomendación prefiere limitarla aplicación del método estadístico al, aislamiemo auwrrestaurable. El méto-

do convencional se aplica entOnces para al aislamiemo no autorrestaurable.Lamentablememe la clasificaci

,

ón

,

de los rislamiémos adquiere aquí extremaimportancia, con las indefiniciones ya ~enc,ionadas amerionneme. El cablesubterráneo y la línea de transrriisión; por ejemplo, pertenecen a categoríasdiferentes. Sobre los dUeloS de S F6 aún no se tiene un criterio claro.

"

11"r,

Método estadístico simplzJicado

Con la intención de adapta.r;, los métodos probabilísticos a las prácticas de in-geniería, se ha acordado definir las sobretensiones en términos de vaI'ores

sencillos, al igual que a la rigidez del aislamien to. De esta manera no es necesa-

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Diseño del aislamiento 891

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Figura 21.52 Incremento de la rigidez dieléc-trica y su efecto sobre el riesgo de falla.

rio apelar a la función de probabilidad. El valor señalado, sin embargo, debeestar estrechamente relacionado copla función respectiva.

La sobre tensión que tiene sólo 2% de probabilidad de ser excedida sedenomina sobre tensión estadística (ver relación 21.19), y la tensión que con

90% de probabilidad puede ser soportada por el aislamiento, rigidez dieléctri-ca estadÚtica (ver figura 21. 53). EsLOSdos valores, 2% y 90%, se denominan

probabilidades de referencia, y en vista de que están bien relacionados con elcomponamien LOal azar de la sobrelensión y del aislamiento, pueden ser LO-mados como magnitUdes máximas en el diseño del aislamiemo según el méTO-do convencional.

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Figura 21.53 Probabilidades de refe-rencia para la sobre tensión y la rigidezdieléctrica del aislamiento.

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Debe señalarse que en la práctica las funciones de densidad probabilísti-ca no siempre ofrecen la misma forma, de allí que no sea fácil predecir undeterminado comportamiento o establecer un margen de seguridad específi-

co. Las diferentes categorías de sobretensión tienen que ser tratadas porseparado, en especial cuando se desea establecer un margen de seguridad de-seado. En la figura 21.54 se ilustra, a título de ejemplo, la relación existenteentre el riesgo de falla y el margen de seguridad estadístico para sobretensio-nes de maniobra con el aire como aislante. Esto es de gran imponancia en lossistemas de extra y ultra alta tensión. Se desprende de esta ilustración unainteresante regla empírica:

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. Por cada incremenro de 10% en el margen de seguridad, el riesgo defalla se reduce en una década, siendo el riesgo igual a 10-2 para unmargen de seguridad de 5%. Para lograr un riesgo de 10-3 se requiereun margen de seguridad del 15% (para 10-6 un margen del 45%).

El uso de un diagrama general c on es_~afinalidad no debe excluir la reali-zación de un estUdio más refinado del problema, ya que tiene como objerofundamental suministrar el primer diseño del aislamiemp.

Una consecuencia directa de este método, del cual se ha hecho eco la lEC,

radica en la posibilidad de definir la rigidez dieléctrica del aislamiemo Utili-zando sólo su valor estadístico en lugar de la función probabilística de ruptUra.

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Figura 21.54 Relación entre el riesgo de falla yel margen de seguridad estadístico para aisla-mientos en el aire (a = 8%) sujetos a solicita-ciones de impulsos de maniobra.

En efecto, la lEC demanda que la rigidez dieléctrica de los aislamientosautorrestaurables se defina a través del componamiento estadístico, mientras

que la de los no autorrestau.rables a través de los valores convencionales. Am-bos valores, estadístico o convencional, que sopona el aislamiento, se deno-minan como rigidez dieléctrica nominal.

No obstante, se debe recordar que existen cuatro categorías de esfuer-z os dieléctric os:

1. Li tensión nominal de operación.2. Sobretensiones annosféricas.3. Sobretensiones de maniobra.

4. Sobre tensiones temporales.

en vista de ]0 cual la definición del aislamiento requiere igualmente de cuatro

figuras diferentes: una peneneciente a la tensión de regimen y las otras tres alas sobre tensiones citadas.

Las pruebas dielécn-icas que se llevan a cabo a ]a máxima tensión derégimen tienen como finalidad verificar la capacidad del aislamiento de sopor-tar este esfuerzo de por vida. Si las sobre tensiones temporales, penenecientes

a otra categoría, no exceden 1.5 p.u. con tiempo de duración inferiores a 1

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segundo, entonces no es necesario someter al aislamiemo a este régimen depruebas, pues lo realizado a frecuencia de régimen y máxima tensión de ope-

ración es ya un criterio suficiente para saber si cumple con las demandas die-léctricas de las sobretensiones temporales o no.

Este úlTimo criterio simplifica el concepto en cuestión y reduce a tres

los regímenes de prueba para el aislamiento, uno a tensión máxima de opera-ción (50 ó 60 Hz) y dos con sobre tensiones nominales de maniobra y deimpulso atmosférico. A continuación se expone la nueva definición de la lEC.

I NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO I

~definido por dos val()res~

SOBRETENSION DE MANIOBRA

I I

SOBRETENSIÓN ATMOSFÉRICA

valor nominal que soporta el valor nominal que soporta elaislamiento aislamiento

ESTADÍSTICO (90%)

rigidez dieléctrica para el aisla-miento au torrestaurable

CONVENCIONAL

rigidez dieléctrica para aisla-mien to no au torrestaurable

Como valor nominal del impulso (de maniobra o atmosférico) que so-porta el aislamiento se debe entender al valor demandado de la rigidez die-

léctrica convencional para el aislamiento no au rorrestaurable y al valordemandado de la rigidez dieléctrica estadísTÍca para el aislamiemo aurorres-taurable. Mayor información sobre esta definición se obtiene rle las Normasde la lEC.

Selección del aislamiento, procedimiento de la lEC

El siguiel1tc procedimiento es válido para 105 sistemas de ex tra y ultra alta

tensión y se fundamenta en un aislamiento no autorrestaurablc, tipificadopor un transformador de potencia protegido por un pararrayos, y uno sí

au torrestaurable, tipificado por un seccionador no protegido (figura 21. 55).

El punto de panida es la tensión nominal de operación (1), la cual,junto con las características del sistema (2), definen el nivel de sobretensionestemporales (3) y de maniobra (4). Luego se hace un dimensionamienro delaislamiento, esté o no protegido por pararrayos (5), ya que éste tiene que so-portar tanto la sobretensión de régimen como las sobretensiones temporales.En los sistemas actuales se trata de que el nivel de sobreten'siones temporales se

limite a un valor que de por sí el ad~ml!:r.t:) tiene que soponar como ten-sión a frecuencia de régimen.

Como elemento protect~r se selecciona ahora al pararrayos, pero toman-

do como base las sobretensiones temporales de elevado contenido energético

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autorrestaurable

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Figura 21.55 Selección del aislamiento en sistemas de extra y ultra alta tensión.Recomendación de la lEC.

(6). Una vez seleccionado el paranayos el nivel de protección ante sobreten-

siones atmosféricas y de maniobra queda bien establecido (7). Si el nivelacordado es muy costoso, conviene limitar entonces al valor de las sobreten-

siones temporales máximas que se pueden presentar en el sistema. Esto se

indica como la retroalimentación del bloque 7 a12. Esto indica que en realidad

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896 La coordinación del aislamiento Diseiío

son las sobre tensiones temporales las que determinan el nivel de aislamiento

en los equipos protegidos por pararrayos.Asimismo, es necesario definir el aislamiento de los equipos no protegi-

dos por pararrayos tanto ante sobretensiones atmosféricas como de maniobra.Primero se, verifica el comportamiento en las últimas (8), dada su importanciaen los si~temas de muy altas tensiones. Es de señalar que al seleccionar estenivel la línea, por ejemplo, también queda protegida ante sobretensiones at-mosféricas. Si el diseño resulta ser muy oneroso entonces es aconsejablerevisar de nuevo las características del sistema (retroalimentación de 8 a 2).

Entre éstas resaltan los interruptores de potencia y los di~positivos de supre-sión de las sobretensiones de maniobra.

Finalmente se consideran las sobre tensiones atmosféricas (11 Y 12) Y severifica si el aislamiento las soporta. Sin embargo, esto implica un fidedignoconocimiento de las descargas atmosféricas (9) (nivel isoceráunico, intensi-dad de corriente dd rayo, etc.), así como el apantall~miento y conexión atierra de la línea, lo cual influye sobre la wrre (10). Si el aislamiento no pue-de soportar estas sobretensiones, entonces es necesario reconsiderar los pará-metros citados (retroalimentación de 12 a 10). Puede observarse que noexiste ninguna correlación de importancia entre el nivel básico del aislamientode los equipos protegidos y el de los no protegidos. Los primeros se rigen porlas sobre tensiones temporales y las características del pararrayos, mientras

que los otros se apoyan en las sobre tensiones de maniobra y los dispositivos

que deben combatidas. '

Como puede apreciarse, en los sistemas de ultra alta tensión es posibleque el aislamiento protegido demande un nivel básico de aislamiento antesobre tensiones de maniobra mayor que el del aislamiento no protegido. Estehecho, aparentemente absurdo, se fundamenta en que el aislamiento internoserá protegido (de un transformador, por ejemplo) en caso de que falle unode los dispositivos que controlan las sobre tensiones en el sistema. Para losaislamientos en el aire no se contempla esta sitUación o contingencia.

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En las tablas 21.11 a la 21.16 se han indicado las recomendaciones del Grupo

Ad Hoc del CIGRE en su respectivo Informe Final. En la figura 21.56 se ex-ponen los valores recomendados por la lEC para el nivel básico del aislamien-

to, expresados en p.u. de la tensión nominal máx.

La línea gruesa continua representa la rigidez dieléctrica estadística delaire selecci~nada con base en la ley prop9fcional citada anteriormente. Lospuntos de intersección de las sobretensiones o impulsos nominales con estalínea determinan "los valores normalizados por la lEC. Una serie de valores,

igualmente indicados, por debajo de los mencionados, se contemplan igual-mente en las normas de la lEC como posible alternativa. La combinación detensión nominal máxima e impulso nominal de maniobra, basada en razones

1,501Esta,

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tensión máxima de operación (kV)

Figura 21.56 Detenninación según la lEC de los niveles de aislamiento paradiferenciar tensiones nominales. Se consideran únicamente las sobretensionesde maniobra.

estrictamente económicas, válida para aislamientos no protegidos en el aire,ha sido también adoptada para aislamientos internos protegidos por pararra-yos.

La curva discontinua se refiere al aislamiento interno de los equipos yconsidera la presencia en el sistema de pararrayos más sofisticados paratensiones cada vez mayores. Llama la atención que hasta los 400 kV esta lí-nea se encuentra por debajo de la otra, mientras que a partir de los 525 kVestá por encima. Esto implica que no hay razón económica, al aumentar la

tensión de transmisión, para disminuir el aislamiento interno que aún no estésatUrado. Se espera que los futUros sistemas de ultra alta tensión permitanafinar este concepto.

Asimismo, la lEC contempla seriamente el nivel de transmisión de

1,500 kV y es posible que éste se desarrolle antes de lo que se supone enEstados Unidos o en la Unión Soviética. Tensiones superiores a ésta con-

Hevan una gran incertidumbre, de aHí que no se especule con ningún valorpara ellas. Como ya se había mencionado, los espinterómetros de granseparación interelectródica se ven fuertemente influenciados por la forma deonda en su comportamiento disruptivo. Hoy en día se sabe que para distan-

cias muy grandes la rUptUra ocurre primero para sobretensiol1es con tiemposgrandes de formación de cresta. Tiempos más cortos conHevan a tensiones de

ruptura más grandes. La curva gruesa muestra una declinación hacia abajo co-

mo consecuencia de este componamiento del aire. Este hecho podría jÚstifi-

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car económicamente un mejor control de las sobretensiones de maniobra y lareducción de los niveles de aislamiento en el aire, lo que a su vez conduce amenores espaciamientos.

Finalmente se observa que, en consecuencia con lo anteriormente ex-

puesto, los valores correspondientes al aislamiento interno (línea disconti-nua) se encuentran por encima de los del aire como aislamiento.

Pruebas dieléctricas

, .

Esta& ya han sido tratadas anteriormente, y la lEC diferencia las pruebasconvencionales de las estadísticas. Las primeras se aplican para el objeto encuestión de ensayo sin importar la naturaleza variable de la rigidez dieléctri-ca, bastando con que el aislamiento soporte una tensión específica. Estaspruebas, como ya se dijo, se aplican para los aislamieqtos no autorrestaura-bles. '

Las pruebas estadísticas exigen que la función probabilística de la des-carga o ruptura del aislamiento en cuestión de ensayo satisfaga los requeri-mientos planteados. Generalmente se conoce la forma de esta función y elensayo sólo tiene que suministrar la relación existente entre esta función y latensión.

Para establecer la función probabilística de un aislamiento determinado

se llevan a cabo varias series de pruebas, todas con el mismo valor pico de latensión. Si la relación entre el número de descargas y el número de aplicacio-nes es inferior a la probabilidad de ruptura correspondiente a la tensión apli-

cada (U), de acuerdo con la función probabilística del aislamiento bajo prueba,se afirma que su comportamiento es bueno. El ensayo se puede realizar acualquier tensión U, cambiando tan solo la probabilidad de ser determinada

(figura 21.50, donde se dan dos tensiones de prueba diferentes). .Si el número de aplicaciones N tiende a infinito la prueba es perfecta,

pero en vista de que en la práctica esto no es posible, la prueba es imperfec-ta. Esto se debe a que el aislamiento sobredimensionado denota ciena

probabilidad de no pasar la prueba, mientras que el subdimensionado mues-tra cierta probabilidad de aprobarla (figura 21. 57). Este aspecto es el mási~portante y demanda extrema caUtela, de manera de no incurrir en el sobre-

dimensionamiento del aislamiento y, por ende, en costos y gastos innecesa-nos.

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En la figura 21.58 se ilustra la calidad de la prueba (Test Quality, TQ)como un número proporcional a la inclinación de la curva citada, que indicaa su vez la probabilidad de pasar la prueba. Los parámetros que influencian ala calidad de la prueba (TQ) son el número de aplicaciones y la probabilidadde que el aislamiento soporte la tensión aplicada (la probabilidad de la rigi-dez, en el estricto sentido de la lEC). Los mejores resultados, según se des-prende de los dos diagramas de la figura 21.58, se obtienen para un númeroelevado de los impulsos aplicados.

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Diseiio del aislamiento 899

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Figura 21.57 Forma en que el dimensiona-miento del medio aislante, o aislamiento,influye sobre la probabilidad de que el objetoen cuestión de ensayo pase una prueba.

Por otro lado: el número de impulsos necesario para obtener una buenacalidad (TQ) de la prueba (por ejemplo TQ = 1) denota un mínimo si la ten-sión aplicada corresponde a una probabilidad de ruptura de 50%. Para poderverificar una probabilidad d~ 2% se necesitan 65 impulsos, si se quiere obte-ner la misma calidad de prueba con 50% de probabilidad y 15 disparos, estoa título de ejemplo y comparación, con lo cual queda claro que el mejor pro-cedimiento que se le puede aplicar al aislamiento autorrestaurable es el detratar de verificar que la tensión con 50% de probabilidad de ruptura es ma-yor que la requerida. Esta última (tensión requerida para el aislamiento con50% de probabilidad) puede ser fácilmente derivada de la rigidez (comienzodel capítulo) y oscila generalmente entre valores de 5 a 10% superiores. Es-tas definiciones no deben propiciar confusiones, pues tratan sólo de poner en

evidencia la importancia de la tensión 50% disruptiva, citada ya en múltiplesocasiones en el desarrollo del presente capítulo.

Aislamientos combinados

Si se da la circunstancia de que un aislamiento no autOrrestaurable seencuentre en paralelo con uno autorrestaurable, entonces el ensayo o pruebano se puede nevar a cabo de la misma manera, ya que la tensión aplicada

podría ser superior a la máxima permitida, la cual se establece y proviene de

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900 La coordinació7I del aislamiento

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calidad de la prueba (TQ)

Figura 21.58. Explicación del concepto "Calidad de la prueba" (Test Quality).

una prueba convencional. En este caso la prueba o ensayo sólo verifica que laprobabilidad de ruptUra a la máxima tensión o esfuerzo que puede soportard aislamiento es inferior al 0%. La calidad de esta prueba es necesariamente

inferior a la que suministra el 50%.Finalmente se indican en la figura 21. 59 las pruebas recomendadas por la

lEC, Publ. No. 28. Tres tipos de prueba deben demostrar que la tensión má-

xima que soporta el aislamiento no autorrcstaurablc es igual al valor nominalde diseño, y que la rigidez dieléctrica d<;.laislamiento autorrestaurablc, desde

un punto de vista estadístico, es inferior o igual al valor nominal de diseño.

El primer ensayo "de la figura 21.59 demanda la aplicación de variosimpulsos a tensiones superiores a la nominal de diseño, con objeto de obte-ner varias descargas. Este procedimiento se aplica para equipos con aisla-miento aUtorrestaurable.

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Observaciones finales 901

Figura 21.59. Ensayos en aparatos.

Ensayos enaparatos

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autorrestau rabieaislamientocombinado

~ mtensión de

prueb!l.nominal nominalnominal + 1.3(u)

correspondiente al 50% de rupw ra delaislamiento demandado

10% de rUptUra

rigidez dieléctricaconvencional

rigidez dieléctricaconvencional

No. de impulsos 30 15 3

El segundo ensayo se aplica para aislamientos combinados (aurorrestau-rabIes con no autorrestaurables) y requiere de un número intermedio de im-pulsos a tensión nominal, pem1idendo un número determinado de descargasen el aislamiemo au torrestaurable pero ninguna en el aislamienro no aUlO-rrestaurable. Finalmeme, el último tipo de ensayo se aplica para aislamienrosno aurorrestaurables y requiere de un número limitado de impulsos, ningunode los cuales debe conduCir a la rupmra del medio aislame.

- o - - o -

Esro ha sido la esencia del nuevo criterio de la lEC, que al mismo tiem-po ha selvido como repaso" de los conceptos emitidos en los subcapÍmlos yapartados precedentes.

21.8 OBSERVACIONES FINALES

Las normas imernacionales, al igual que roda norma, indican valores de refe-rencia que no necesariameme tienen que ser impositivos, salvo que el futUro

usuario de los equipos les otorgue este carácter. Como se ha podido apreciar,a panir de los 525 kV las recomendaciones de las normas se sustentan en una

relativameme cona y aun escasa experiencia. Para tensiones mayores a 800 kVlas sugerencias se fundameman estrictameme en los resultados obtenidos en

los laborarorios de alra tensión y en las pocas líneas experimemales que hansido construidas hasta la fecha.

El estUdio de las descargas con espaciamienros superiores a 15 m es,lamentablememe, monopolio de unos cuantos laboratorios. En la aCtualidad

no llegan a 10 los laborarorios en el mundo que puedan realizar, sin limita-ciones, estOs estUdios. En el mundo occidemal han resaltado los laborarorios

902 La corn-dinaÓón del aislamiento

de la EdF en Les Renardieres (Francia) y el de Hydro Quebec (lREQ en Va-rennes, Canadá). Esfuerzos muy serios se llevan igualmente a cabo en ellabo-ratorio del CEPEL (cerca de Río de Janeiro, Brasil). .

Para concluir este capítulo es conveniente destacar algunos aspectosestrechamente relacionados con el mismo:

1. Las normas no hablan del sobredimensionamiento del aislamiento al

especificar una tensión nominal de diseño superior a la verdadera. EnVenezuela, por ejemplo, esta ideología ha brindado excelentes'benefi-

cios en el Sistema de la Electricidad de Caracas. Así, a títUlo de ejem-

plo se tiene que en las instalaciones próximas al mar, como T ACOA, losbushings terminales de los cables de potencia, al igual que los interrup-tores de SF 6' se han adquirido para una tensión de 380 y 345 kV

respectivamente, siendo la nomi.nal de diseño 230 kV y la máximapermitida por la lEC 245 kV. Resultados semejantes se han obtenidoal adquirir equipos de 115 kV para subestaciones de 69 kV, de 525kV para 400 kV, Y así sucesivamente.

En zonas con elevada contaminación esta práctica redunda en gas-tos reducidos en cuanto a mantenimiento y operación se refiere. Esimportante, sin embargo, que la separación entre fases se coordinecon la nueva distancia a tierra, dada por el nivel superior seleccionado.

2. Con base en lo anterior, es posible además que un equipo de 245 kVcon un BIL de 1.050 kV sea más costoso que uno de 345 ó 380kV con un BIL equivalente, en cuanto a bushings y aisladores de

soporte se refiere. Esta es, en consecuencia, una interesante tarea delingeniero de planificación.

3. Ouo ejemplo interesante es el siguiente: la lEC contempla en su pro-yecto de norma del Comité de EstUdios No. 36 (1979) una distancianominal de contorneo específico de 3.1 cm/kV para el nivel de con-taminación extremo. Para niveles mayores de contaminación se reco-mienda la aplicación de grasa de silicón o lavado en calieme. Estasprácticas aún no son usuales en el nivel de 800 kV. En la zona dePertigalete (costa oriental de Venezue1a), caracterizada por la conta-minación de plantas de cemento a la orilla del mar, se han obtenidoexcelentes resultados con 11 y hasta 13 cm/kV para tensiones inferio-res a 34.5 kV de j:ransmisión.

4. En extensos estUdios llevados a cabo en Estados Unidos por la AEP yBP A se ha podido establecer que en las zonas con niveles de contami-nación bajos o moderados, pero con niveles isoceráunicos de 30.a 80días de tormenta por año, es precisameme el rayo lo que determinael diseño conceptUal hasta los 1,000 kV. Se hace la advertencia deque las sobre tensiones de maniobra son causadas por el hombre ypueden, en consecuencia, ser controladas también por el hombre,mientras que el rayo es un fenómeno natUral que debe ser aceptadocomo tal.

Observac

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Observaciones finales 903

A pesar de que en los últimos aíi.os se ha avanzado mucho en el es-tUdio de las sobretensiones atmosféricas, aún queda mucho por hacer

en lo referente al mecanismo de 'ruptura final, que afecta a las torres

gigames de los sistemas de 800 y más kilovohios. El conocimienw fi-dedigno del nivel isoceráunico le ha permiIÍdo a la BP A disminuir susdistancias mínimas en 10% para aquellas zonas con niveles isoceráu-

nicos de 30 a 80 afectadas por líneas de 525 kV. En 800 kV la dis-minución es mayor (3.6 m para niveles isoceráunicos de 30 y 4.1 m

para 80 días de tonnema por aíi.o).5. Las pruebas llevadas a cabo en las cadenas de EDELCA se realizaron

en diferentes laboratorios de acuerdo con los métodos y sugerencias

descriws en el presente capítUlo. La, Publicación No. 383 del año1976 de la lEC se lomó como referencia. Las pruebas o ensayos con

impulsos atmosféricos y de maniobra se ejecUtaron determinando a latensión 50% de choque o impulso disruptiva, con lo cual se pudo de-finir la máxima tensión que soporta el aislamiento para tensiones in-feriores a 2,800 kV. Para tensiones mayores se utilizó el mismo pro-

cedimiento, pero ~plicando el criterio de la rigidez dieléctrica máxima

del aislamiento (50% flashover procedure and wz"thstand procedure).En las pruebas con impulso atmosférico, utilizando el criterio de la

tensión 50% de impulso disrupIÍva, se recurrió' al méwdo "Up andDown" con un promedio de 40 aplicaciones o disparos sobre el ob-jeto en cuestión de ensayo, mientras que en las pruebas de la rigidezdieléctrica del aislamien to la tensión máxima que debe ser soportadapor el aislamiento se aplicó 15 veces consecutivas.

Para ambas pruebas con impulso atmosférico se aplicaron impulsos

tanto de polaridad positiva como negativa, pero sólo con la intenciónde demostrar que la polaridad negativa conduce a valores más alws dela tensión, 10 que equivale a una rigidez dieléctrica superior. Los arre-glos de ensayo fueron muy parecidos a los indicados en la figura 21.29.

Como criterio aprobatorio de las pruebas se convino en que apli-cando el procedimiento de la tensión 50% de impulso disruptiva la

rigidez dieléctrica de la cadena no debía ser inferior a 1/{(1-1.3 . a))= 1,040 veces la tensión máxima de impulso que debe ser soportadapor la misma, donde la desviación estándar o típica a se consideró

igual a 3. En cambio, aplicando el procedimiento de la rigidez dieléc-trica se acordó que la cadena excedía al valor sugerido para la máxi-

ma tensión que debe soponarel aislamienw si el número de descargasera inferior a 2.

El valor sugerido para la te,nsión de impulso atmosférico fue elcarrespondieme a 2,400 kV X (d/K), donde K y d son los facwres decorrección de la humedad y densidad relaIÍva, respectivamem~. Sin

embargo, las pruebas realizadas demostraron que IOdos los arreglosexcedían fácilmente la tensión de 2,800 kV.

904 La coordi//aciÓn dd aislamiento

Para las pruebas con impulso de maniobra (250(2,500) se procedióde la misma manera, pero considerando que la rigidez dielécuica de

la cadena no era inferior a 1({(1- 1.3'a)}= 1,085 veces la tensiónmáxima de impulso de maniobra que debía soportar la misma, dondela desviación están dar a se juzgó igual a 6%. Para pruebas bajo lluviael valor sugerido para el impulso de maniobra era 1,440 kV X (d/K), elcual también fue excedido por todos los arreglos ensayados. '

Los factores espinterométricos obtenidos con la fórmula de LuigiParis (21.45) fueron los siguientes:

cadena en "V", fase centralcadena en "1", fase lateral

g = 1.20g = 1.26

que si se comparan con los de la tabla 21.4 muestran una buena co-rrelación y consistencia. Las descargas que bcurrieron en ambascadenas se ilustran en las fotografías 21.1 y 21.2 y ponen de manifiestouna adecuada coordinación del aislamiento tanto de la torre como dela cadena.

Las pruebas bajo lluvia y a frecuencia de régimen se realizaron con

los siguientes valores:

Rigidez dieléctrica sugeridaTasa de preéipitación

930 kV X (d(K)1 mm(min a 1.5 mm(min (comp.

ven.)Resistividad del agua 10,000:t 1.0 k.n'cm

La tensión de prueba se llevó hasta 75%' del valor sugerido, luego seincrementó hasta 100% del mismo valor con una tasa de incremento

de 2% por segundo. Una vez alcanzado el valor. máximo (100%) latensión se sostuvo por espacio de 1 minuto.

EstOs ejemplos, extraídos de los archivos de prueba de EDELCA,tienen como finalidad ilustrar los procedimientos de prueba tratadosen el presente capítUlo. Las pruebas de contaminación, que desem-peñaron un papel determinante en el diseño de la cadena, seránabordadas posteriormente en esta obra.

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