Norma IEEE 1410 Descargas Lineas Distribucion

8/12/2019 Norma IEEE 1410 Descargas Lineas Distribucion

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ELECTROPORCELANA GAMMA S.A.

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Boletn 43,Enero Marzo 2002

GUA PARA MEJORAR EL COMPORTAMIENTO BAJO

DESCARGAS TIPO RAYO DE LAS LNEAS AREASDE DISTRIBUCIN ELCTRICA

Norma IEEE std 1410

PRIMERA PARTE

INTRODUCCIN

(Esta introduccin no hace parte de la guapero s del documento original IEEE Std1410).

La descarga tipo rayo es la mayor causa defallas de las lneas areas tpicas dedistribucin. La creciente preocupacin por lacalidad de la energa elctrica ha creado an

ms inters en las descargas atmosfricas, y elmejoramiento de las protecciones contra lasdescargas tipo rayo de las lneas areas dedistribucin est siendo considerado comouna forma de reducir el nmero deinterrupciones momentneas y lasdisminuciones de voltaje.

La descarga atmosfrica tipo rayo causageneralmente fallas temporales en las lneasareas de distribucin. Si la falla es aclarada

por un interruptor o por un conmutador, elcircuito ser cerrado exitosamente. En elpasado esto era aceptable pero ahora con laproliferacin de cargas sensitivas, lasinterrupciones momentneas son la mayorpreocupacin.

Las descargas atmosfricas tipo rayo puedencausar tambin fallas permanentes. Se cree

que de las fallas causadas por descargasatmosfricas el 5% al 10% causan daopermanente al equipo (el proyecto EPRI2542-1 ver [B22] reporta 9%). Fallastemporales pueden causar interrupcionespermanentes si la falla es aclarada por unelemento de proteccin de un disparo, talcomo un fusible.

Estimar el comportamiento a las descargastipo rayo de una lnea de distribucin tiene

mucha incertidumbre. Algunos de los puntosbsicos tales como la intensidad de descargasmedida por la densidad de rayos a tierra ,DRT(GFD: Ground flash density), o estimar elnmero de descargas a una lnea puede tenererrores muy significativos. Muchas veces,estimaciones preliminares o prcticasgeneralmente aceptadas son tan efectivascomo clculos muy detallados. Esta gua tratade presentar estimaciones ms acordes defallas causadas por descargas tipo rayo.

El objetivo de esta gua es proveer los datosaproximados de las fallas causadas pordescargas tipo rayo y la efectividad de variasopciones de mejoramiento.Los datos aproximados usando esta guapueden ser utilizados para compararproteccin mejorada para descargas tipo rayo

T

E

C

n

IC

O


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con otros mtodos de mejoramiento de laconfiabilidad del sistema y de la calidad de laenerga tales como los programas de corte deramas de los rboles o esquemas deproteccin mejorados tales como el uso deequipos de recierre o seccionadores. Esta guatambin ser til en la evaluacin de lasnormas de diseo.

1. RESUMEN

Esta gua de diseo contiene informacinsobre los mtodos para mejorar elcomportamiento bajo descargas tipo rayo delas lneas areas de distribucin. Esta guareconoce que no existe un diseo de lneaperfecto, y que se deben hacer una serie decompromisos en cada diseo de lnea dedistribucin. Mientras que algunos parmetrostales como el voltaje, el trazado, y lacapacidad pueden ser predeterminados, otrasdecisiones son tomadas a discrecin deldiseador. El diseador o proyectista puedeejercer control sobre el material y lageometra de la estructura, el apantallamientoy los sistemas de proteccin, la cantidad deaislamiento, el sistema de puestas a tierra, yla colocacin de pararrayos. Esta gua ayudaral diseador de lneas de distribucin aoptimizar el diseo de la lnea a la luz de lasconsideraciones costo - beneficio.

1.1. Alcance

Esta gua identificar los factores quecontribuyen a las fallas causadas pordescargas tipo rayo en lneas areas dedistribucin y sugerir mejoras a las

construcciones existentes y a las nuevas.Esta gua est limitada a la proteccin delneas de distribucin para sistemas de tensinhasta de 69 kV.Consideraciones sobre proteccin de equiposestn cubiertas en la IEEE Std C62.22-1991.(1)

1.2. Propsito

El propsito de esta gua consiste en presentaralternativas para reducir los flameos causadospor las descargas tipo rayo en las lneas areasde distribucin.

2. REFERENCIAS

Esta gua ser utilizada conjuntamente con lassiguientes normas. Cuando estas normas seanreemplazadas por una nueva revisinaprobada, deber aplicar dicha revisin. Estasreferencias se actualizarn automticamentedurante el proceso de edicin. (*)

3. DEFINICIONES

3.1. Flameo inverso (descarga tipo rayo):Un flameo del aislamiento resultante deuna descarga tipo rayo a una parte de lared o de la instalacin elctrica que estnormalmente a un potencial tierra.

3.2. Nivel bsico de aislamiento al impulso,NBA (BIL) (Tensin nominal de

prueba de impulso): Resistencia alaislamiento de impulso de referenciaexpresada en trminos del valor cresta dela tensin soportada de una onda estndarcompleta de tensin de impulso.

3.3. Voltaje de flameo de impulso crtico,VFIC (CFO) (aisladores): El valorcresta de la onda de impulso que, bajocondiciones especificadas, causa flameo atravs del medio que lo rodea en el 50%de las aplicaciones.

3.4. Descarga directa: Una descarga directatipo rayo a cualquier parte de la red oinstalacin elctrica.

3.5. Lnea de distribucin:Lneas de energaelctrica que distribuyen energa desdeuna subestacin de suministro principal alos usuarios, generalmente a tensiones de


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34.5 kV o menos. Esta gua aplica atensiones iguales o menores a 69 kV.

3.6. Flameo (general): Una descargadisruptiva a travs del aire alrededor osobre la superficie de un aislante slido olquido, entre partes de diferentepotencial o polaridad, producido por laaplicacin de un voltaje en el cual latrayectoria del arco llega a estar losuficientemente ionizada para mantenerun arco elctrico.

3.7. Electrodo a tierra: Un conductor o ungrupo de conductores en contacto ntimocon tierra con el fin de suministrar unaconexin a tierra.

3.8. Densidad de descargas tipo rayo atierra, DRT (GFD) (Ng): El nmeropromedio de descargas tipo rayo porunidad de rea por unidad de tiempo enuna ubicacin particular.

3.9. Aislador tensor: Un elemento aislante,generalmente de forma elongada, conhuecos o ranuras transversales, cuyafinalidad es aislar dos secciones de unaretenida o de proveer aislamiento entre laestructura y el artificio de sujecin ytambin de proveer proteccin en el casode una falla de los cables. Los aisladores

de porcelana tipo tensor o tipo retenidaestn diseados para someter la porcelanaa esfuerzos de compresin, mientras quelos aisladores de madera equipados conlos herrajes apropiados son utilizadosgeneralmente en esfuerzos de tensin.

3.10. Cable tensor o de retenida:Un cableretorcido utilizado para soportar unatensin semi - flexible entre un poste oestructura y la varilla de anclaje, o entreestructuras.

3.11. Descarga indirecta: Una descargatipo rayo que no golpea directamenteninguna parte de la red pero que induceen ella una sobretensin.

3.12. Tensin inducida (descargas tiporayo):El voltaje o la tensin inducida enuna red o en una instalacin elctrica poruna descarga indirecta.

3.13. Primera descarga tipo rayo: Unadescarga tipo rayo a tierra iniciadacuando la punta de un lder escalonadodescendente choca con un lderascendente desde tierra.

3.14. Subsiguiente descarga tipo rayo:Una descarga tipo rayo que puede seguiruna trayectoria ya establecida por unaprimera descarga.

3.15. Descarga tipo rayo: La descargacompleta tipo rayo compuestanormalmente de lderes desde una nubeseguidos de una o ms descargas deretorno.

3.16. Salida por descargas tipo rayo:Unafalla de energa que viene despus de unflameo por descarga tipo rayo y queresulta en una falla en el sistema decorriente, y que requiere de la operacinde un dispositivo de maniobra paraaclarar la falla.

3.17. Desempeo de la lnea a lasdescargas atmosfricas: Elfuncionamiento de la lnea expresadocomo el nmero anual de flameos pordescargas tipo rayo, tomando como baseuna milla de circuito o una milla de lnea- torre. Ver proteccin contra descargas

directas.3.18. Pararrayos de xido metlico, POM(MOSA): Un pararrayos que utilizaelementos tipo vlvula fabricados dexidos metlicos con resistencias nolineales.

3.19. Cable de guarda en parte superior,CGPS (OHGW): Cable o cables de lneade tierra colocados sobre las fasesconductoras con el fin de interceptardescargas directas para proteger las fases

conductoras de descargas directas. Ellaspueden tener puestas a tierra directa oindirectamente a travs de pequeos gaps(espacios muy pequeos). Ver proteccincontra descargas directas.

3.20. ngulo de apantallamiento: Elngulo entre la lnea vertical a travs delcable de guarda o lnea de tierra en la


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parte superior y las fases conductorasque pasan por debajo de ella. Verproteccin contra descargas directas.

3.21. Cable de proteccin: Cables deguarda colocados cerca de losconductores de fase con los siguientesfines:a. Proteger las fases conductoras de

descargas directas tipo rayo.b. Reducir los voltajes inducidos de

campos electromagnticos externos.c. Disminuir la auto - impedancia de un

sistema de cable de guarda.d. Aumentar la impedancia mutua del

sistema de cable de guarda a losconductores de fase protegida.

3.22. Distancia explosiva (Spark gap):Cualquier distancia corta entre dosconductores elctricamente aislados oremotamente conectados elctricamenteuno a otro.

3.23. Pararrayos o supresor de ondas tiporayo: Un elemento protector para limitarlos picos de voltaje sobre el equipo,desvindolos a picos de corriente yretornando el equipo a su estado original.El elemento puede repetir estas funcionescomo se estipula.

Nota.El trmino pararrayos como se utilizaen esta gua se entiende que significasupresorde picos.

4. PARMETROS DE LASDESCARGAS ATMOSFRICAS(RAYOS)

4.1. Incidencia de las descargas

atmosfricasLas descargas atmosfricas ocurren durantelas tempestades, las ventiscas de nieve, yotros fenmenos naturales. Sin embargo, en lamayor parte de las reas, las tempestades sonla fuente principal de las descargasatmosfricas. Las tempestades producen

descargas atmosfricas dentro de la nube,nube a nube, y nube a tierra. Las descargasatmosfricas dentro de la nube son las msfrecuentes, pero las descargas atmosfricasnube a nube afectan las lneas areas dedistribucin. Durante un tormenta, lasinterrupciones de la energa son causadas porel viento y las descargas atmosfricas.Algunas veces se asume que interrupcionescausadas por el viento, los rboles y equipoaveriado, son generadas por descargasatmosfricas, lo cual har que el nmero deinterrupciones causadas por las descargasatmosfricas aparezca artificialmente alto.

En la mayor parte de las regiones del mundo,se puede obtener una indicacin de laactividad de las descargas atmosfricas atravs de los datos cerunicos (das detormentas elctricas por ao). En la figura 1se muestra el mapa de nivel isocerunico delmundo. El nivel cerunico es una indicacinde la actividad regional de las descargasatmosfricas basada en cantidades promedioderivadas de los niveles de observacinhistricamente disponibles. Datos cerunicosms detallados o mapas de regionesespecficas del mundo se encuentrandisponibles. Una descripcin ms detallada dela actividad de las descargas atmosfricas sepuede obtener a travs de los mapas dedensidad de descargas a tierra, DRT (GFDmap), los cuales son creados de informacinobtenida va sistemas de deteccin de rayos.Una muestra del mapa DRT (GFD map) delos Estados Unidos de Amrica se muestra enla figura 2.

Sistemas de localizacin de descargas y

sistemas de contadores de relmpagos hansido desplegados en Norte Amrica y otraspartes del mundo. Con suficiente experiencia,estos sistemas pueden proveer mapasdetallados de densidad de descargas a tierra.


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Los mapas DRT proveern mucho ms detalley seguridad que los que se han tenidodisponibles con datos de truenos. Sistemas de

Figura 1 Mapa de nivel isocerunico del mundoFigura 2 Mapa de densidad de descargas a tierra, mapa DRT de Estados Unidos de


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localizacin suministran tambin cantidadesestimadas que son ms tiles y detalladas quelos datos cerunicos. Adicionalmente, ademsde proporcionar la frecuencia de las descargasatmosfricas, el sistema suministra tambin lafecha, tiempo, localizacin, nmero dedescargas, corriente estimada del pico, ypolaridad.

En algunas regiones del mundo, estossistemas estn prximos a completar datossuficientes (siete aos como mnimo) parafines de diseo. Los mapas de densidad dedescargas a tierra, mapas DRT (GFD maps) seestn utilizando actualmente en el diseo delneas de distribucin, para estimar losflameos causados por las descargasatmosfricas, y para muchos otros tipos deanlisis de descargas tipo rayo.

La confiabilidad de una lnea de distribucindepende de su exposicin a las descargas tiporayo. Para determinar la exposicin, eldiseador de la lnea de distribucin necesitaconocer el nmero anual de descargas porunidad de rea por unidad de tiempo. Estadensidad de descargas a tierra puededeterminarse de varias maneras.

La densidad de descargas a tierra, DRT puedeestimarse del nivel cerunico [B5] usando laecuacin (1):

Ng = 0.04 Td 1.25 (descargas /km2/ao) (1)

Donde

Td = Nmero de das de tormentas por ao(nivel cerunico)

Otra forma de estimar la densidad dedescargas es a travs de los registros de horasde tormentas [B31], como sigue

Ng = 0.054 Th 1.1 (2)

El promedio estimado de la densidad dedescargas puede obtenerse directamente delos datos de deteccin de rayos de la red o decontadores de descargas. Si se dispone dedatos por suficientes aos, se tiene la ventajade poder identificar variaciones regionales.

Las descargas atmosfricas y las tasas deinterrupciones causadas por ellas presentanuna variacin considerable ao tras ao [B31,B15]. La desviacin estndar histrica porao de mediciones de actividad de descargasvara de 20% a 50% del promedio. Elpromedio estimado de la DRT para regionespequeas tales como 10x10 km presentan unadesviacin estndar alta de 30% a 50% delpromedio. Regiones ms grandes tales como500x500 km presentan una desviacinestndar ms baja de 20% a 25% delpromedio. En reas de bajos niveles deactividad de descargas la desviacin estndarrelativa es alta.

Con estas desviaciones estndar tan altas, serequiere de muchos aos de toma de datospara lograr un promedio estimado losuficientemente seguro. Esto es especialmentecierto cuando usamos datos de descargas atierra para una regin localizada o tasasestimadas de interrupcin causadas pordescargas tipo rayo en una lnea dedistribucin de los datos de salidas.

4.2. Caractersticas Elctricas del Rayo

4.2.1. Distribuciones de la corriente pico

Del amplio resumen de parmetros dedescargas atmosfricas presentado por el

Grupo de trabajo 33.01 del CIGRE (que semuestra en la tabla 1) [B5], para una primeradescarga, la variacin de la corriente pico delrayo, Io puede aproximarse a la distribucinlogartmica normal.


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TABLA 1 - PARMETROS DE LA CORRIENTE DE DESCARGAS TIPO RAYO -CIGRE [B51]

Parmetros de distribucin normal logartmica para descargas negativas

Primera descarga Subsiguiente descargaParmetroMediana

, desviacin

Mediana

, desviacin

std logartmica std logartmica

FRENTE, microsegundos

td10/90 = T10/90/0.8 5.63 0.576 0.75 0.921

td30/90 = T30/90/0.6 3.83 0.553 0.67 1.013tm = Ip/Sm 1.28 0.611 0.308 0.708

PENDIENTE, kA/microseg

Sm, Mximo 24.3 0.599 39.9 0.852

S10, al 10% 2.6 0.921 18.9 1.404

S10/90, 10-90% 5 0.645 15.4 0.944

S30/90, 30-90% 7.2 0.622 20.1 0.967

CORRIENTE CRESTA, kA

II, inicial 27.7 0.461 11.8 0.53

IF, final 31.1 0.484 12.3 0.53

Inicial/Final 0.9 0.23 0.9 0.207

Cola, tn, microsegundos 77.5 0.577 30.2 0.933

CARGA, QI , C 4.65 0.882 0.938 0.882

(I 2dt ), (kA)2 0.057 1.373 0.0055 1.366Intervalo entre descargas, mseg 35 1.066

Descripcin de los parmetros de forma de onda (ver figura 3)

I 10 = Intercepto en el 10% de la corriente de la onda de descargaI 30 = Intercepto en el 30% de la corriente de la onda de descargaI 90 = Intercepto en el 90% de la corriente de la onda de descargaT 10/90 = Tiempo entre los interceptos I 10e I 90del frente de ondaT 30/90 = Tiempo entre los interceptos I 30e I 90del frente de onda

Sm = Tan G, mxima rata de aumento de la corriente a lo largo del frente de ondaS 10 = Rata instantnea de aumento de corriente en I 10S 10/90 = Pendiente promedio (a travs de los interceptos I 10e I 90)S 30/90 = Pendiente promedio (a travs de los interceptos I 30e I 90)Q I = Carga de impulso de la corriente de la onda de descarga


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A fin de manejar la distribucin probabilsticade los valores pico de corriente en una formasimple, se adopta la siguiente expresin:

1P(Io io) = ------------------- (3)

1 + (Io/31) 2.6

La ecuacin (3) muestra la probabilidad de lacorriente pico del rayo Io, debe ser igual omayor que un valor dado de io [kA].

5. COMPORTAMIENTO DE LASLNEAS AREAS DEDISTRIBUCIN A LASDESCARGAS TIPO RAYO

Esta seccin describe como se estima elnmero de flameos directos e inducidos paracircuitos de distribucin. Las descargas tiporayo pueden explicar muchas de lasinterrupciones de energa en las lneas dedistribucin. Las descargas tipo rayo puedencausar flameos por

a) Descargas directasb) Tensiones inducidas por descargas

cercanas

Descargas directas sobre lneas dedistribucin de energa generan flameo delaislamiento en la mayora de los casos. Porejemplo, un rayo tan pequeo como de 10 kApodra producir una sobretensin de cerca de2000 kV, la cual est excesivamente distantede los niveles de sobretensin de lneas queoperan hasta 69 kV. Sin embargo, laexperiencia y las observaciones muestran que

muchas de las salidas relacionadas con lasdescargas tipo rayo de las lneas de bajoaislamiento son ocasionadas por rayos quechocan con tierra en las proximidades de lalnea. Muchas de las tensiones inducidas porrayos en lneas de distribucin que terminancerca de la lnea son inferiores a 300 kV. Losrayos pueden ser colectados por objetos muy

altos, de tal modo que la altura y la distanciade la lnea de distribucin a puntos deresguardo tales como rboles y edificiostendr influencia en el comportamiento de lalnea a las descargas tipo rayo.

5.1. Descargas tipo rayo en lneas areas

5.1.1. Altura de la estructura

Las descargas atmosfricas pueden tener un

efecto muy significativo en la confiabilidad deuna lnea, especialmente si sus postes son msaltos que el medio que la rodea. Muchos rayosson colectados por las estructuras ms altas.La rata de coleccin de rayos N, en campoabierto (sin rboles o edificios en la cercana),es estimada de acuerdo a la ecuacin deEriksson [B23].

28 h 0.6+ bN = Ng ( ------------------ ) (4)

10

Donde:

h = Altura del poste (m)b = Ancho de la estructura (m)Ng = Densidad de descargas (rayos/km2/ao)N = Rayos/100km/ao

Figura 3 Descripcin de los parmetrosde las ondas tipo rayo


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Para la mayora de las lneas de distribucinel factor b, ancho de la estructura, esdespreciable.

De la ecuacin (4), si la altura del poste seaumenta un 20%, la rata de rayos a la lnea dedistribucin se incrementar en un 12%.Ntese que una lnea de distribucin puedecolectar muchos ms rayos de los que sehubieran podido predecir en el modelo 4xH,el cual fue utilizado durante varios aos. En elmodelo 4xH, el nmero de rayos colectadopor la lnea de distribucin fue estimado porun ancho de dos veces la altura de la lnea , enambos lados de la lnea.

La exposicin de la lnea de distribucin a lasdescargas tipo rayo depende de qu tantosobresalen las estructuras por encima delterreno aledao. Estructuras localizadas en loalto de las montaas, cordilleras o cerrossern ms vulnerables a las descargas tiporayo que aquellas protegidas por mediosnaturales.

5.1.2. Protecciones por rboles yestructuras cercanas

rboles y edificios pueden jugar un papelpreponderante en el comportamiento de laslneas de distribucin a las descargasatmosfricas. Los rboles y los edificiospueden interceptar muchas descargas tiporayo que de otra manera pudieran caer sobrela lnea. El factor de proteccin Sf, se definecomo la porcin por unidad de una lnea dedistribucin protegida por objetos cercanos.El nmero de descargas a la lnea es entonces

Ns = N(1 Sf) (5)Un factor de proteccin de 0.0 significa que lalnea de distribucin est en campo abierto yque no dispone de objetos para proteccionesen las cercanas, y un factor de 1.0 significaque la lnea de distribucin est

completamente protegida contra descargasdirectas tipo rayo.

La figura 4 muestra los medios paraaproximarse a los factores de proteccin conobjetos de varias alturas, para una lnea dedistribucin de 10 metros de altura. Se asumeque los objetos estn en una lnea uniforme yparalela a la lnea de distribucin. Se podrarepresentar como una hilera de rboles oedificios paralela a la lnea de distribucin.

La figura 4 puede utilizarse tambin paraobjetos que estn ubicados en ambos lados dela lnea de distribucin si se suman losfactores de proteccin para los lados derechoe izquierdo (si la suma de los factores deproteccin es mayor de uno, entonces el factortotal de proteccin es igual a uno). Como unejemplo, consideremos una lnea area dedistribucin de 10 metros de altura con las

siguientes filas de edificios en cada lado:

a) Una fila de edificios de 7.5 m de altura,30 m a la izquierda de la lnea dedistribucin (Sf=0.23)

Figura 4 Factores de proteccin porcercana de objetos de diferentes alturaspara una lnea de distribucin de 10metros de altura


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b) Una fila de 15 m de altura, 40 m a laderecha de la lnea de distribucin (Sf =0.4)

Si la densidad de descargas a tierra DRT, esde 1 descarga/km2/ao, el nmero de rayosdirectos sobre la lnea area de distribucin encampo abierto sera de 11.15 descargas/100km/ao, [de la ecuacin (4)]. Con las filas deedificios se podra reducir a

Ns = N(1-(Sfizquierdo+ Sfderecho)

= 11.15 [1 (0.23 + 0.4)]

= 4.12 descargas/100 km/ao (6)

A menos que el aislamiento de la lnea dedistribucin est protegido con cable deguarda o con pararrayos, todas las descargasdirectas tipo rayo causarn flameo sinconsiderar el nivel de aislamiento, elespaciamiento entre conductores, o laspuestas a tierra. Por lo tanto, para estimar elnmero de flameos debidos a descargasdirectas tipo rayo, usamos la ecuacin (4)para una lnea de distribucin en campoabierto, o las ecuaciones (4) y (5) para unalnea parcialmente protegida. Se asume quetodos los flameos causarn fallas en loscircuitos de distribucin (ver 5.4).

5.2. Flameos por tensiones inducidas

De acuerdo a Rusck [B45], la mxima tensinque puede ser inducida en una lnea deenerga en el punto ms cercano al rayo puedeestimarse por

Io haVmax = 38.8 -------- (7)y

Donde:

Io es la corriente pico de la descarga

ha es la altura promedio de la lnea sobreel nivel de tierra

y es la distancia ms corta entre la lnea yla descarga tipo rayo

La ecuacin (7) es utilizada para un conductorsimple, infinitamente largo sobre una tierraperfectamente conductora. Un cable neutro atierra o un cable protegido en la parte altareducir la tensin a travs del aislamientopor un factor que depende de las puestas atierra y de la proximidad del cable de tierra alas fases conductoras. Este factor varatpicamente entre 0.6 y 0.9.

La frecuencia de flameo por las tensionesinducidas puede aumentarse dramticamentepara los bajos niveles de aislamiento. Lafigura 5 presenta la frecuencia de flameocomo una funcin del voltaje de flameo deimpulso crtico VCF, (CFO) de la lnea. Lafigura 5 muestra resultados para dosconfiguraciones de puestas a tierra. Elcircuito sin conexin a tierra no dispone decable de neutro a tierra ni del cable protegido,tal como ocurre con el circuito de tres lneassin puesta a tierra o el de cuatro lneas conuna puesta a tierra. Los resultados para uncircuito con puestas a tierra son los de uncircuito con un cable neutro a tierra o un cableprotegido en la parte alta. El circuito conpuestas a tierra presenta muy pocos flameospara un voltaje crtico de flameo debido a queel cable de puesta a tierra reduce el esfuerzode la tensin a travs del aislamiento.Disposiciones de los circuitos sin conexin atierra o con una puesta a tierra, sin embargo,pueden presentar mayores tendencias a

presentar voltajes de flameo fase a tierra msaltos que una disposicin de circuitoequivalente con multipuestas a tierra, debido ala falta del cable de neutro a tierra. Losvalores estn normalizados para una densidadde descargas, DRT (GFD) de una descarga/km2/ao y una altura de la lnea dedistribucin de 10 m. Los resultados se


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pueden escalar linealmente con respecto a lalongitud y el DRT (GFD).

Figura 5 Nmero de flameos de tensiones inducidas versus nivel de aislamiento de la lneade distribucin, voltaje de flameo de impulso crtico, VFIC en kV


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Los resultados mostrados en la figura 5 sonpara una lnea de distribucin en campoabierto sin edificios y sin rboles en lacercana. El nmero de flameos inducidosdepende de la presencia de objetos cercanosque puedan proteger la lnea de descargasdirectas. Esto puede incrementar los flameospor voltajes inducidos debido a que ocurrenmuchas descargas en las reas cercanas.

Como un punto de referencia, una lnea dedistribucin en campo abierto con una alturade 10 metros y con una densidad de descargasa tierra, DRT de 1 descarga/km2/ao tendraproximadamente 11 descargas /100 km/aodebidas a descargas directas, utilizando laecuacin (4). En campo abierto, las tensionesinducidas sern un problema solamente paralneas con muy bajos niveles de aislamiento.Por ejemplo, el nmero de flameos portensiones inducidas exceder el nmero deflameos por descargas directas para uncircuito sin puestas a tierra solamente si elvoltaje de flameo de impulso crtico VFIC(CFO) es inferior a 75 kV (de la figura 5). Enreas protegidas, los flameos generados portensiones inducidas son los de mayorpreocupacin. Tpicamente, una suposicinque se utiliza para lneas de distribucin esque si el voltaje de flameo de impulso crticoes mayor o igual a 300 kV los flameos portensiones inducidas sern eliminados. Casitodas las mediciones de tensiones inducidashan sido inferiores a 300 kV, y la figura 5indica que una lnea con voltaje de flameo deimpulso crtico mayor de 300 kV tendr muy

pocos flameos generados por tensionesinducidas.

Otro factor a considerar es que la mayora delas lneas de distribucin tienentransformadores de distribucin protegidoscon pararrayos, los cuales proveen algngrado de reduccin de los flameos por

tensiones inducidas (ver 7.2). Sin embargo,esta reduccin puede llegar a ser pequea encentros rurales y suburbanos.

6. NIVEL DE AISLAMIENTO DE LALNEA DE DISTRIBUCIN

Esta gua de diseo pretende ayudar alingeniero de diseo del sistema dedistribucin a optimizar las capacidades delos aislantes a las descargas tipo rayo en laslneas areas de distribucin. Muchas de lasconstrucciones areas utilizan ms de unmaterial aislante para proteccin contra lasdescargas atmosfricas.

(*) REFERENCIAS:

IEEE StdC62.22-1991, IEEE Guide for theApplication of Metal-Oxide Surge Arrestersfor Alternating Current Systems (ANSI).

Vistenos en nuestra pgina WEB:http://www.gamma.com.co

Si desea cambiar la direccin electrnica,suscribir a un colega, solicitar edicionesanteriores, o borrarse de la lista dedistribucin envenos un mensaje a:

[email protected]. Ing. Claudia Arango B.


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Boletn 44, Abril - Junio 2002


DESCARGAS TIPO RAYO DE LAS LNEAS AREASDE DISTRIBUCIN ELCTRICANorma IEEE std 1410

Versin al espaol por el Ing. Adolfo Cano HenckerSEGUNDA PARTE6. NIVEL DE AISLAMIENTO DE LA

LNEA DE DISTRIBUCIN

Esta gua pretende ayudar al ingeniero dediseo a optimizar la capacidad de losaislantes ante las descargas tipo rayo en laslneas areas de distribucin.

Muchas de las construcciones areas utilizanms de un material aislante para proteccincontra las descargas atmosfricas. Loscomponentes ms comunes utilizados en la

construccin de lneas areas de distribucinson porcelana, aire, madera, polmero y fibrade vidrio. Cada elemento tiene su propiacapacidad de aislamiento. Cuando losmateriales aislantes se utilizan en serie elnivel de aislamiento resultante no es la sumade los niveles asociados con los componentesindividuales, sino que es algo menos quedicho valor.

Los siguientes factores afectan los niveles de

flameo ante descargas tipo rayo de lneas dedistribucin y dificultan estimar el nivel deaislamiento total:

a) Condiciones atmosfricas tales comodensidad del aire, humedad,precipitacin pluvial y contaminacinatmosfrica.

b) Polaridad y velocidad de incremento detensin.

c) Factores fsicos tales como forma delaislador, forma del herraje metlico, yconfiguracin del aislador (montadoverticalmente, horizontalmente o enngulo).

Si existe madera en la trayectoria de descargadel rayo, el efecto del rayo sobre la capacidadde aislamiento puede ser muy variabledependiendo principalmente de la humedaden la superficie de la madera. La capacidad de

aislamiento depende en un menor grado de lasdimensiones fsicas de la madera.

Aunque el ingeniero de diseo deba estar msfamiliarizado con el nivel bsico deaislamiento, NBA (BIL), de una combinacindada de materiales aislantes, los resultados deesta gua estn dados en trminos del voltajede flameo de impulso crtico, VFIC (CFO), deestas combinaciones. El voltaje de flameo deimpulso crtico se define como el nivel de

tensin al cual estadsticamente existe el 50%de probabilidad de flameo. Este valor es unpunto definible en el laboratorio. Si se asumeque los datos de flameo presentan unadistribucin de Gauss, entonces cualquierprobabilidad especfica de no flameo puedecalcularse a partir del voltaje de flameo deimpulso crtico y de la desviacin estndar.

T

C

n

IC

O


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Una vez que se tuvieron disponibles todos losdatos de laboratorio, se estudiaron variosmtodos tratando de desarrollar unprocedimiento para determinar el voltaje deflameo de impulso crtico esperado, VFIC(CFO), de una combinacin de componentesdados. La aproximacin de capacidad deaislamiento - aditiva puede ser la msprctica.

Este mtodo fue adoptado de unprocedimiento similar utilizado anteriormenteen el diseo de lneas de transmisin pero hasido ampliado en su aplicacin a mltiplescomponentes aislantes usados en laconstruccin de lneas de distribucin. Elmtodo utiliza el voltaje de flameo de impulsocrtico, VFIC, del elemento aislante bsico oprimario y agrega a este valor los incrementosen VFIC ofrecidos por los componentesadicionados, (teniendo siempre presente quela capacidad de aislamiento aditiva es siempremenor que la de un elemento simpleadicionado).

6.1. Voltaje de flameo de impulso crtico,VFIC, de un aislamiento combinado

Desde tiempos lejanos los ingenieroselectricistas han estado construyendo lneasde distribucin utilizando crucetas y postes demadera en serie con aisladores bsicos paraaumentar la resistencia al impulso tipo rayodel aislamiento de la lnea de distribucin. Acomienzos de 1930, se presentaron una grancantidad de documentos donde los aisladoresfueron ensayados en combinacin conmadera. Apareci una pregunta acerca de

cuanto voltaje de aislamiento ante descargastipo rayo agregaba la madera al aislamientoprimario (el aislador). Una respuesta parciallleg despus de investigaciones en muchoslaboratorios, y los resultados fueronpublicados en las dcadas de 1940 y 1950[B12]. Un resumen general de los trabajos

previos sobre voltaje de flameo de impulsocrtico, VFIC, fue presentado en el Reporte

del Comit de AIEE de 1950 y en un nuevoreporte en 1956, sin embargo, estos resultadostenan aplicacin principalmente en lneas detransmisin y no en la construccin de lneasde distribucin. En las lneas areas dedistribucin, el aislamiento ms dbil estgeneralmente en una estructura del poste msque entre conductores a travs del aire.

Ms recientemente, las investigaciones sobrecombinaciones de multi - dielctricosutilizados en sistemas de energa elctrica hancontinuado, estas investigaciones tienen quever con lneas de distribucin y detransmisin y los niveles de voltaje quesoporta la madera cuando se somete aimpulsos tipo rayo, tipo maniobra y frente deonda escarpado. ltimamente, han sidointroducidos a las lneas de distribucinaisladores polimricos y crucetas de fibra devidrio.

6.2. Determinacin del VFIC deestructuras con aislamiento en serie

Los estudios han indicado que un (1) metro demadera o de fibra de vidrio agreganaproximadamente 330 500 kV a laresistencia al impulso del aislamiento total.Para longitudes superiores, la capacidad deaislamiento tipo rayo de la cruceta de maderao de fibra de vidrio y la combinacin con elaislador estn determinadas principalmentepor la sola cruceta de madera o de fibra devidrio. El aislamiento de voltaje alterno seobtiene para el aislador solo y la cruceta de

madera o de fibra de vidrio se considera comoaislamiento adicional para voltaje de descargatipo rayo.

Cuando la trayectoria de descarga tipo rayo atierra no incluye una cruceta de madera o defibra de vidrio, pero envuelve dos o ms tiposde aisladores en serie, el VFIC de la


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combinacin no se obtiene simplementesumando los VFIC individuales de loscomponentes. Los VFIC de estos aislamientoscombinados son controlados por un nmerode factores diferentes, cada uno de los cualesrequiere un anlisis individual. Hoy en da,existen muchas diferentes combinaciones yconfiguraciones utilizadas por las compaasoperadoras.

El mtodo del VFIC aditivo extendidopuede usarse para estimar el VFIC de unaestructura de distribucin:

a) Determinando la contribucin de cadacomponente individual del aislamiento alVFIC total de la combinacin.

b) Estimando el VFIC total de lacombinacin, conociendo el VFIC de loscomponentes aislantes.

Esto puede hacerse utilizando tablas y curvasque muestren los datos experimentalesdisponibles y utilizando estos datos pararelacionar el efecto de un material adicionadoa otro. Este procedimiento considera vlidoslos datos caractersticos del VFIC delaislamiento base y un grupo adicional dedatos dados como el VFIC adicionado por uncomponente especfico.

En aquellas configuraciones en las cualesaparecen dos componentes, el VFIC de lacombinacin es mucho ms bajo que la sumade los VFIC individuales. El aislador seconsidera como el aislamiento primario oaislamiento bsico.

El voltaje de flameo de impulso crtico, VFIC,

obtenido por configuraciones consistentes dedos componentes se calcula como el VFIC del

componente bsico ms el VFIC adicionadopor el segundo componente.El VFIC total calculado para doscomponentes es:

VFICT= VFIC aislador+ VFICadic.2comp (8)

Donde:

VFIC aislador = VFIC del componente primario

VFICadic.2comp = VFIC adicionado por elsegundo componente

El VFIC total calculado para tres o mscomponentes es:

VFICT = VFIC aisl + VFICadic.2comp +VFICadic.3comp + VFICadic.ncomp (9)

Donde:

VFICadic.3comp = VFIC adicionado por eltercer componente

VFICadic.ncomp = VFIC adicionado por elensimo componente

Los valores de VFIC individual y eladicionado de los componentes ms utilizadosen distribucin estn dados en las tablas 2 a 4.


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TABLA 2 - VFIC del aislamiento primario (aislador)

Aisladores kV

ANSI 55-4 105

Tipo Espiga ANSI 55-5 120ANSI 55-6 140

Porcelana 1 . 10.2 cm (4") 75

tipo suspensin 2. 10.2 cm (4") 165

3. 10.2 cm (4") 250

Aislamiento kV/m

Aire 600

Poste de madera 330

Cruceta de madera 360

Poste integral de fibra de vidrio 500

TABLA 3 - VFIC adicionado a segundos componentes (VFIC ad. 2 comp)

Segundo componente Con primer componente de kV/m

Cruceta de madera Aislador tipo pin vertical 250

Cruceta de madera Aislador de suspensin vertical 160

Cruceta de madera Aislador de suspensinhorizontal

295

Poste de madera Aislador tipo pin vertical 235

Poste de madera Aislador tipo suspensin 90

Cruceta de fibra de vidrio Aislador 250

Poste integral de fibra devidrio

Aislador 315

TABLA 4 - VFIC adicionado a terceros componentes (VFIC ad. 3 comp)

kV/m

Poste de madera 65

Poste integral de fibra devidrio

200

Notas(para tablas 2 - 4)1- Todos los valores son para VFIC en hmedo.2- Los valores corresponden a los mnimos de polaridad positiva o negativa.3- Los aisladores se muestran como ejemplo solamente. Para valores ms

exactos refirase a los datos del fabricante.


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Los valores dados en las tablas se refieren acondiciones hmedas las cuales sonrecomendadas para estimar el valor de VFIC.Para valores de VFIC bajo condiciones secassuministradas por el fabricante o tomadas depruebas de impulso de un laboratorio,multiplique el VFIC por 0.8 para obtener unvalor estimado del VFIC en condicioneshmedas. El VFIC en condicin hmeda esttpicamente entre 0.7 y 0.9 del VFIC encondiciones secas.

Para componentes no dados en la tabla 3 o enla tabla 4, el VFIC total puede ser estimadopor reducciones para el segundo y tercercomponente como:

VFICadic.2comp = 0.45 VFICaislador

VFICadic.3comp = 0.20 VFICaislador

El uso del mtodo del VFIC - aditivoextendido y las tablas dadas en esta guadarn respuesta generalmente dentro de un 20% de error. Estimaciones ms seguras selogran con los siguientes mtodos:

a) Efectuar pruebas de impulso en ellaboratorio de la estructura en estudio,bajo condiciones hmedas. Este mtododar los resultados ms seguros.

b) Efectuar pruebas de impulso bajocondiciones secas y multiplicar losvalores obtenidos por 0.8 para estimar elVFIC en condiciones hmedas.

6.3. Consideraciones prcticas

El equipo y el conjunto de accesorios

metlicos de las estructuras de distribucinpuede reducir drsticamente el VFIC. Estepunto dbil de las estructuras puede aumentaren gran parte los flameos por tensionesinducidas. Varias situaciones se describen acontinuacin.

Cables tensores. Los cables tensores puedenser un factor importante en la reduccin delVFIC de la estructura. Por ventaja mecnica,los cables tensores estn conectados en laparte alta del poste, en general en la vecindadde los elementos aislantes principales. Puestoque los cables tensores proveen unatrayectoria a tierra, su presencia generalmentereduce el VFIC de la configuracin. Lospequeos aisladores de porcelana tipo tensorque se utilizan proveen muy poco de extra-aislamiento, (generalmente menos de 30 kVde VFIC).

Puede utilizarse entonces un aislador tensorde fibra de vidrio para ganar una considerablecapacidad de aislamiento. Un aislador tensorde fibra de vidrio tiene un VFIC de 250 kVaproximadamente.

Fusibles cortacircuitos. El montaje de losfusibles cortacircuitos es un ejemplo primariode un equipo desprotegido que puededisminuir el VFIC del poste. Para sistemas dela clase 15 kV, un fusible cortacircuitos puedetener un nivel bsico de aislamiento, NBA(BIL), de 95 kV. Dependiendo de cmo estmontado el cortacircuitos, el puede reducir elVFIC de toda la estructura hastaaproximadamente 95 kV, (aproximadamenteporque el nivel bsico de aislamiento, NBA(BIL), de cualquier sistema aislante essiempre menor que el VFIC de dichosistema).

En postes de madera, el problema de losfusibles cortacircuitos puede ser mejoradocolocando los cortacircuitos de tal manera queel brazo de montaje en el poste est bien

alejado de cualquier conductor conectado atierra, (cables tensores, cables de guarda ycables de neutro). Esto tambin es vlido parainterruptores y otras piezas de equipo noprotegidas por los pararrayos.

Altura del cable de neutro.En cualquier lneadada, la altura del cable de neutro puede


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variar dependiendo del equipo conectado. Enpostes de madera, mientras ms cerca est elcable de neutro de los cables de fase, menor elVFIC.

Soportes y estructuras conductoras.El uso deestructuras de concreto y de acero en lneasareas de distribucin est en aumento, locual reduce enormemente el VFIC, adems,crucetas metlicas y conjuntos de accesoriosmetlicos se estn utilizando en postes demadera. Si tales elementos metlicos estnconectados a tierra, el efecto puede ser elmismo que el de tener una estructura metlica.En tales estructuras, el VFIC total essuministrado por el aislador y por lo tanto,aisladores con mayor VFIC debern serutilizados para compensar las prdidas delaislamiento de la madera. Obviamente, seefectan cambios dependiendo delcomportamiento esperado a las descargas tiporayo y otras consideraciones tales comodiseo mecnico y econmico. Pero es muyimportante saber que dichos cambios existen.El diseador deber estar enterado de losefectos negativos que los elementos metlicospuedan tener en el comportamiento a lasdescargas tipo rayo y tratar de minimizardichos efectos. En configuraciones con postesde madera y crucetas, pueden utilizarse brazosde madera o de fibra de vidrio para mantenerbuenos niveles de aislamiento.

Circuitos mltiples.Los circuitos mltiples enun poste causan generalmente un aislamientoreducido ya que se tienen distancias msestrechas entre fases y menos madera en serie.Esto es especialmente cierto en circuitos dedistribucin en postes de madera construidos

por debajo de circuitos de transmisin. Loscircuitos de transmisin tienenfrecuentemente un cable de proteccin conuna lnea de tierra en cada poste. La lnea detierra puede causar reduccin en elaislamiento. Pero este puede mejorarsealejando la lnea de tierra del poste conespaciadores de fibra de vidrio.

Circuitos con espaciadores de cable.Circuitos con espaciadores de cable soncircuitos areos de distribucin conespaciamientos muy reducidos. Cablecubierto y espaciadores, (15 a 40 cm),colgados de un cable mensajero proveensoporte y capacidad de aislamiento. Unaconfiguracin de espaciador de cable tendrun VFIC fijo, generalmente en el rango de150 200 kV. Debido a su relativamente bajonivel de aislamiento, su comportamiento antelas descargas tipo rayo puede ser ms bajoque el ms tradicional diseo abierto. Es muypoco lo que se puede hacer para incrementarel VFIC de un diseo con espaciador de cable.

Un diseo con espaciador de cable tiene laventaja de un cable mensajero que acta comoun cable de proteccin. Este puede reduciralgunos flameos por descargas directas.Flameos inversos ocurrirn debido al bajonivel de aislamiento. Si se mejoran las puestasa tierra se mejora el comportamiento contralas descargas tipo rayo.

Distancias explosivas (spark gaps) y unin de

aislamientos. La unin de aisladores seefecta algunas veces para prevenir el daocausado por la descarga tipo rayo en lospostes o crucetas de madera, o tambin sehace para prevenir la quema de la partesuperior del poste de madera. Las distanciasexplosivas son utilizadas para prevenir eldao causado por las descargas tipo rayo enlos materiales de madera, (este incluye losensambles para proteccin de postesespecificados por la REA). En algunas partesdel mundo, las distancias explosivas (spark

gaps) son utilizadas en lugar de los pararrayospara proteccin del equipo.

Las distancias explosivas y unin deaisladores reducirn enormemente el VFIC dela estructura. De ser posible, distanciasexplosivas, unin de aisladores, y ensamblespara proteccin de postes no deberan ser


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utilizados para prevenir dao de la madera.Las uniones locales de aislador madera en labase del aislador son una mejor solucin paraevitar daos en la madera y quema de postescomo se discute en el numeral 6.5.

6.4. Capacidad de la madera de sofocar elarco

Los postes y crucetas de madera handemostrado capacidad de sofocar el arcocausado por las descargas tipo rayo y prevenirla formacin de una falla de energa.

La capacidad de la madera para sofocar elarco es predominantemente una funcin de latensin instantnea a travs del arco en elinstante del flameo causado por la descargatipo rayo. Si el voltaje est cruzando cerca decero, es mucho ms fcil que se extinga elarco sin causar una falla. Si el voltaje nominala lo largo de la cruceta de madera se mantienepor debajo de un cierto nivel, la posibilidad deque se desarrolle la falla puede ser reducidaenormemente.

Si ocurren flameos mltiples, la extincin delarco es mucho menos probable (ver figura 6).La mayor parte de las lneas de distribucinsoportarn flameos mltiples de una descargadirecta. En estructuras de distribucin quetienen gradientes de voltaje RMS a travs dela madera mayores de 10 kV/m de madera, laextincin del arco puede que no proporcioneun beneficio significativo. Por ejemplo, unalnea de distribucin de 13.2 kV con 0.5 m de

madera entre el aislador de fase y el cable deneutro tiene un gradiente de voltaje RMS atravs de la madera de 132kV/3/0.5m = 15.2kV/m. Para este voltaje, si los espaciamientosde madera de 1 m se logran entre todas lasfases conductoras y todos los objetos conpuestas a tierra en el poste, entonces laextincin del arco es un factor significativo.

Esto puede lograrse fcilmente en circuitoscon altos niveles de aislamiento y grandesdistancias de madera. Para esta gua, se hahecho una suposicin conservadora que todoslos flameos causan fallas.

6.5. Dao de la madera causada pordescargas tipo rayo

La experiencia de servicio indica que el daoa postes o crucetas debido a las descargas tiporayo es relativamente escaso. No obstante, en

reas de alto nivel de descargas atmosfricaspuede ser de importancia bajo ciertascondiciones. La probabilidad de daos debidaa descargas tipo rayo depende de muchosfactores, especialmente al contenido dehumedad y al envejecimiento de la madera.Cuando la falla es interna en la madera y noen la superficie de la misma ocurrendisrrupciones de tipo destructivo. Si la maderaest verde, lo ms probable es que la falla seainterna.

Si los registros histricos muestran que eldao de la madera es un problema, la maderadeber protegerse por unin de aisladores. Sinembargo, esto cortocircuita la capacidad deaislamiento que provee la madera. Una mejorsolucin puede ser el uso de electrodossuperficiales fijados cerca al aislador de pin.

Figura 6 Probabilidad de un arco depotencia debido a un flameo por descargatipo rayo sobre una cruceta de maderahmeda


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Esto puede incluir alambre enrollado, bandas,u otras extensiones metlicas colocadas cercaal aislador en la probable direccin delflameo. Esto favorece la falla cerca de lasuperficie en lugar de la falla interna.

Medidas preventivas para daos a la maderapor descargas tipo rayo reducirn tambin laprobabilidad de quemas en la parte superiorde los postes. Quemas en la parte superior delos postes son el resultado de arcos decorrientes de fuga en la superficie deseparacin metal - madera [B42,B15]. Uninlocal, utilizando bandas o alambre enrollado,servirn de puente en aquellos puntos en loscuales la chispa est ms propicia a iniciarsepor los pobres contactos metal madera. Estoes preferible a unir completamente losaisladores (ver 6.3, ltimo prrafo).

7. PROTECCIN CON CABLE DEGUARDA DE LNEAS DEDISTRIBUCIN

Los cables de guarda son conductoresconectados a tierra y colocados sobre losconductores de fase para interceptar lasdescargas tipo rayo las cuales podran caerdirectamente sobre las fases. La corriente dela descarga tipo rayo es desviada a tierra atravs de una lnea de tierra en el poste. Paraque sea efectivo, el cable de guarda debertener su puesta a tierra en cada poste.

La corriente de la onda de descarga tipo rayoque fluye a travs de la impedancia a tierradel poste causa un aumento de potencial queda como resultado una gran diferencia depotencial entre la lnea de tierra y los

conductores de fase. La diferencia depotencial puede generar un flameo inverso atravs del aislamiento de la lnea de tierra auno de los conductores de fase.

El fenmeno del flameo inverso es unaexigencia sustancial para la efectividad delcable de guarda en aplicaciones de la lnea de

distribucin. Los cables de guarda proveernuna proteccin efectiva solamente si:

a) Se utilizan buenas prcticas de diseo delaislamiento para proveer suficiente VFICentre la lnea de tierra y los conductoresde fase.

b) Se obtienen bajas resistencias a tierra en elposte.

La figura 5 puede ser usada para estimar elnmero de flameos inducidos para un diseode cable de guarda. Para circuitos dedistribucin de tres fases, agregar el cable deguarda reducir el nmero de flameosinducidos. Puesto que el cable de guarda estslidamente puesto a tierra, eliminar losvoltajes en los conductores de fase a travsdel acople capacitivo. Mientras ms cercanosestn los conductores de fase del cable deguarda, mejor el acople y mucho ms bajossern los voltajes inducidos, (aunque estopuede reducir el VFIC como se anot en elnumeral 6.3). Observe que adicionar un cablede guarda por debajo de los conductores defase tendr aproximadamente el mismo efectoque un cable de guarda por encima.

En un sistema de cuatro cables, con mltiplespuestas a tierra, reemplazar el cable del neutrocon un cable de guarda por encima, noreducir el nmero de flameos inducidos. Sinembargo, teniendo ambos, un cable de guarday un cable de neutro mejorar en algn gradosu comportamiento.

El costo de incluir el cable de guarda en eldiseo de una lnea de distribucin puede sersustancial. Adicional al costo del conductor,

las varillas de tierra, y aislamiento adicional,las alturas del poste deben ser mayores parasoportar el cable de guarda de tal manera queexista el adecuado ngulo de apantallamientoentre el cable de guarda y los conductores defase ms externos. La mayor altura de laestructura atraer ms descargas directas, yesto compensar ligeramente algunas de las


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reducciones en las ratas de flameo generadaspor el apantallamiento.A pesar del costo y lasdificultades del diseo, los cables de guardahan sido utilizados por varias empresas deenerga con gran xito.

7.1. ngulo de apantallamiento

Para asegurar que todas las descargas tiporayo terminen en el cable de guarda en lugarde que ocurra en los conductores de fase, unngulo de apantallamiento de 45 o menos,(como lo muestra la figura 7), esrecomendado. Esto es vlido solamente paralneas que tengan menos de 15 m de alturacon espaciamiento entre conductores pordebajo de 2 m. Lneas ms altas requierenngulos de apantallamiento inferiores. VerIEEE Std 12431977.

7.2. Requerimientos de aislamiento

La efectividad del cable de guarda en laslneas de distribucin depende en gran partedel aislamiento disponible entre la lnea detierra y los conductores de fase. Si la lnea detierra est en contacto con el poste en toda sualtura, es difcil proveer un adecuadoaislamiento. En un poste de madera,generalmente es necesario aislar la lnea detierra del poste en la vecindad de losaisladores de fase y las crucetas. Esto puedelograrse utilizando varillas de fibra de vidrio,o parales montados horizontalmente en elposte para sostener el cable de guarda 30 60cm alejado del poste. El VFIC de la lnea detierra a la fase ms cercana es el valor mslimitante de varias trayectorias. Se debe tener

precaucin de aislar los cables tensores paraobtener el necesario VFIC.

Un VFIC en exceso de 250 300 kV esnecesario para tener una aplicacin efectivade cable de guarda. Utilizando separadorespara la lnea de tierra, no es difcil lograr el

nivel de aislamiento en las lneas dedistribucin.

7.3. Efecto de las puestas a tierra y el nivelde aislamiento

La efectividad del cable de guarda esaltamente dependiente de las puestas a tierra.Para que el diseo de un cable de guarda seaefectivo, las resistencias a tierra deben sermenores a 10 Ohmios si el VFIC es menor de200 kV. Si se presta atencin al nivel deaislamiento y el VFIC es de 300 350 kV,una resistencia de puesta a tierra de 40Ohmios generar un comportamiento similar.

El cable de guarda deber tener su conexin a

tierra en cada poste para resultados efectivos.La figura 8 muestra el comportamiento antedescargas directas y el efecto de puestas atierra con un ejemplo de una simulacin encomputador de un cable de guarda con VFICde 175 kV y de 350 kV.

Figura 7 ngulo de apantallamientodel cable de guarda


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Las lneas de distribucin construidas debajode estructuras de transmisin pueden ser muysusceptibles especialmente a flameosinversos. Estructuras de mayor altura yamplitud atraern ms descargas directas. Sedebe tener cuidado de mantener altos nivelesde aislamiento para evitar unas ratas deflameo innecesariamente altas.

7.4. Cables de guarda y pararrayos

Para eliminar efectivamentee los flameos,debern utilizarse pararrayos en cada poste yen cada fase conjuntamente con el cable deguarda. Los pararrayos protegern elaislamiento contra flameos inversos. El cablede guarda desviar la mayora de la corrientea tierra, de tal manera que los pararrayos noestarn sometidos a una alta energaabsorbida. Los pararrayos permiten que eldiseo del cable de guarda sea menosdependiente del nivel de aislamiento y de las

puestas a tierra.

8. PARARRAYOS PARA PROTECCINDE LNEAS

Los pararrayos de distribucin son utilizadoseficazmente para proteger equipos tales comotransformadores y reguladores. La funcin de

estos pararrayos es de presentar altasimpedancias bajo los voltajes normales deoperacin y llegar a tener muy bajasimpedancias durante las condiciones de ladescarga tipo rayo. El pararrayos conduce lacorriente a tierra mientras que est limitandoel voltaje del equipo a la suma del voltaje dedescarga del pararrayos ms el voltajeinductivo desarrollado por la corriente dedescarga en la lnea del pararrayos y en lalnea de tierra.

Los pararrayos pueden ser utilizados paraproteger el aislamiento de las lneas dedistribucin previniendo flameos einterrupciones del circuito. Varios tiposdiferentes de pararrayos se tienen disponibles(por ej. Carburo de silicio gapped, xidometlico gapped or non gapped). Desde elpunto de vista de proteccin del aislamientode una lnea de distribucin, todos secomportan de manera similar. Las diferenciasen las caractersticas del voltaje de descargacausarn solamente una pequea diferencia enla proteccin del aislamiento, puesto queexiste un margen considerable.

Para la seleccin de la capacidad delpararrayos, referirse a IEEE Std C62.22-1991o a la gua de los fabricantes. Para proteccinde equipos, (especialmente cablessubterrneos), es necesario seleccionar unpararrayos con el ms bajo nivel deproteccin posible. Sin embargo, paraproteccin del aislamiento de la lnea esto noes necesario puesto que el nivel de proteccindel pararrayos es generalmente mucho msbajo que el nivel de aislamiento de la lnea.

Cuando utilizamos pararrayos paraproteccin, la rata de falla de los pararrayosadicionados deber ser considerada junto conla mejora en el comportamiento al flameo dela lnea obtenida por aumentar los pararrayos.

8.1. Consideraciones en la longitud delcable de conexin del pararrayos

Figura 8 Efecto de la resistencia depuesta a tierra sobre elcomportamiento del diseo de cable deguarda (descargas directas)


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El cable de conexin del pararrayos queconecta la lnea de distribucin y losterminales de puesta a tierra de los pararrayosdel equipo que ellos protegen contienen unapequea cantidad de inductancia inherente.Esta inductancia puede causar L(di/dt) cadasde voltaje que aparecen a travs del cable queconduce la corriente de la descarga tipo rayo.Cualquier cada de voltaje a travs del cablede conexin del pararrayos se sumar alvoltaje de descarga del pararrayos. Esteaumentar el voltaje que aparece a travs deldispositivo protegido por el pararrayos.

El efecto de la longitud del cable de conexindel pararrayos en la proteccin delaislamiento de la lnea de distribucin no estan significativo como lo es con la proteccindel equipo. Para equipo que est por encimael margen es generalmente muy alto.Igualmente, el aislamiento de la lnea esgeneralmente mucho mayor que el nivelbsico de aislamiento, NBA (BIL), estndardel equipo. Por supuesto, es siempre unabuena prctica mantener los cables de la lneade distribucin del pararrayos y las puestas atierra tan cortas y rectas como sea posible.Ver IEEE Std C62.22-1991 para msinformacin sobre longitud del cable deconexin del pararrayos.

8.2. Flameos por descargas indirectas

Los pararrayos pueden reducir enormementelas ratas de flameo debidas a voltajesinducidos por descargas tipo rayo en reascercanas. La figura 9 muestra los resultadospara un nivel de aislamiento de 150 kV de un

circuito sin puestas a tierra. Observe queespaciamientos relativamente amplios entrepararrayos pueden reducir significativamenteflameos por voltajes inducidos, (8 tramosgeneran al menos 25% de reduccin). Enmuchos circuitos de distribucin contransformadores, los pararrayos utilizadospara proteger los transformadores pueden

proveer una proteccin significativa a losflameos inducidos.

Los pararrayos pueden ser an ms efectivospara reducir flameos inducidos si sonutilizados para proteger postes con pobresniveles de aislamiento. Estos mecanismosdbiles pueden incluir cortacircuitos, postesterminales de lnea, o postes de cruce. Instalarpararrayos en estos postes puede ser muchoms efectivo en costos que mejorar el nivel deaislamiento.

8.3. Flameos por descargas directas

La proteccin contra las descargas directas esdifcil debido a las altas corrientes de la ondade impulso, a lo empinado de la pendiente deincremento de tensin y al alto contenido deenerga de las descargas tipo rayo. En teora,los pararrayos pueden proteger eficazmentecontra descargas directas, pero ellos deben serutilizados en intervalos muy cortos(virtualmente cada poste). La figura 10

muestra un estimativo para espaciamientoentre pararrayos con el fin de proteger contradescargas directas. El anlisis en la figura 10asume que el cable de neutro est puesto atierra en cada poste. El alto nmero deflameos puede ser engaoso de acuerdo a lafigura 10, donde el cable de neutro no estconectado a tierra, excepto en los postes en

Figura 9 Espaciamiento entre pararrayospara flameos de voltajes inducidos


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los cuales los pararrayos estn aplicados atodas las fases y el aislamiento neutro a tierraes alto.

8.3.1. Proteccin de la fase superior conpararrayos

Si el conductor en la parte superior estsituado de tal manera que interceptar todaslas descargas tipo rayo, se debern colocarpararrayos en la fase superior lo cual hace queacte como un cable de guarda. En esta formael pararrayos del la fase superior conducir laonda de impulso a tierra. El circuito serprotegido si la resistencia de puesta a tierra eslo suficientemente baja y si el aislamiento delas fases no protegidas es lo suficientementealto. Como un cable de guarda, se debe tenermucho cuidado para mantener un alto nivel deaislamiento en las fases no protegidas. Lascurvas para el cable de guarda, (ver figura 8),pueden ser utilizadas para estimar laefectividad del diseo del pararrayos en lafase superior.

8.3.2. Capacidad de los pararrayos antedescargas directas

En aplicaciones expuestas, (por ej: una lneade distribucin en campo abierto sin cable deguarda), los pararrayos de la clase dedistribucin y de xidos metlicos pueden

sufrir fallas ocasionales debido a descargasdirectas. Un porcentaje importante dedescargas tipo rayo directas pueden causarque los pararrayos absorban energa en excesode ambos, la capacidad publicada por elfabricante y la onda de prueba de descarga de4/10 microsegundos. Esto se mitiga por elhecho que los bloques de xidos metlicoshan demostrado tener una mayor capacidad deabsorber energa que la capacidad que seconoca. Otro mecanismo de falla de algunosdiseos de pararrayos de xidos metlicos esla ocurrencia de flameos alrededor de losbloques cuando el pararrayos est sometido amltiples eventos de multi descargas. Losflameos superficiales debidos a descargasmltiples son mucho menos frecuentes enpararrayos sin espacios de aire tales como losde cubiertas polimricas.

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Espere en la prxima entrega la tercera yltima parte de esta serie.

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Si desea cambiar la direccin electrnica,suscribir a un colega, solicitar edicionesanteriores, o borrarse de la lista dedistribucin envenos un mensaje a:

[email protected]. Ing. Claudia Arango B.

Figura 10 Espaciamiento entre pararrayospara proteccin contra descargas directas


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ELECTROPORCELANA GAMMA S.A. Cra 49 No 67 Sur 680

Fax: (574) 372 56 86 Conmutador (574) 372 86 86 Sabaneta Colombia1

Boletn 45,Julio - Sept. 2002


DESCARGAS TIPO RAYO DE LAS LNEAS AREASDE DISTRIBUCIN ELCTRICANorma IEEE std 1410

Versin al espaol por Ing. Adolfo Cano HenckerTERCERA PARTE

ANEXO A(Informativo)

EJEMPLOS DE USO DE LA GUA

A.1 Ejemplo 1 Diseo de cruceta demadera para 15 kV

Problema: Una empresa de servicio de energa

elctrica est efectuando una revisin del

diseo de una lnea de distribucin de tres

fases de 15 kV estndar, (ver figura A.1). La

empresa de servicio est en un rea de

moderadas descargas atmosfricas con unnivel cerunico de 40 das de tormentas por

ao. Los aisladores utilizados son aisladores

de porcelana tipo espiga, clase ANSI 55-4. Se

asume que los soportes de la cruceta son

conductores y que los aisladores estn

montados sobre pines de acero. Los cables de

retenida tienen aisladores de porcelana tipo

tensor, clase ANSI 54-4. El tamao estndar

del poste es de 12.2m enterrado a una

profundidad de 2m. El objetivo consiste en

estimar el comportamiento ante descargas tiporayo del diseo general y las posibles

mejoras.

Nivel de aislamiento. El VFIC para varias

trayectorias de flameo se muestra en la tabla

A.1.

Descargas directas. La densidad de descargas

DRT se puede estimar del nivel cerunico:

Ng = 0.04(40)1.25

= 4 rayos/km2/ao

La altura del conductor superior es de 10.2 m

con un ancho de la estructura de 2.24 m. De laecuacin (4) el nmero de rayos directos en

campo abierto es:

N = 4 [28(10.2)0.6

+ 2.24]/10

N = 46 rayos /100 km /ao

T

C

N

IC

O

Figura A.1 Diseo de cruceta de maderade 15 kV


26/38


Fax: (574) 372 56 86 Conmutador (574) 372 86 86 Sabaneta Colombia

Asumiendo un factor de proteccin de 0.75 y

que todas las descargas directas causarnflameo, el nmero estimado de flameos

directos ser:

Flameos directos que impactan la lnea =

= 11.5 flameos/100 km/ao

Flameos inducidos (campo abierto) =

= 4 (2) rayos/100 km/ao

= 8 rayos/100 km/ao

Debido a que muchas de las lneas de

distribucin estn protegidas (muy cerca de

estructuras altas, por ej: Sf = 0.75), las

descargas de alta magnitud pueden terminar

muy cerca, sin golpear la lnea de distribucin

directamente. Esto causar ms flameos

inducidos. El nmero de flameos por

tensiones inducidas estara entre el nmero de

flameos en campo abierto, (8 flameos/100

km/ao en este caso) y el nmero de rayosdirectos en campo abierto (46 rayos/100

km/ao en este caso).

Como un estimativo se puede asumir que los

flameos por tensiones inducidas son dos veces

los flameos inducidos en campo abierto.

Flameos inducidos = 16 flameos/100 km/ao

Se asume que todos los flameos causan fallas,como se muestra:

Total de fallas = directas + inducidas

= 27 fallas/100 km/ao

Opciones de mejoramiento a considerar. Se

ha decidido considerar cambios que sean

relativamente de bajo costo y de fcil

implementacin. La primera consideracin

para reducir los flameos por tensiones

inducidas seran cambios en el aislamientocon un objetivo de aumentar el VFIC a 300

kV.

a) Uso de aisladores tipo tensor de 50 cm en

fibra de vidrio. Esto aumentar el VFIC de

la fase media al tensor a 310 kV [0.5 m de

aislador tensor en fibra de vidrio (250 kV)

+ aislador (0.45 . 105 kV = 47 kV) + 0.2

m de poste de madera (0.2 m . 65kV/m =

13 kV)]: Esto elimina en forma efectiva

los flameos por tensiones inducidas.

b) Uso de anclajes de cruceta de madera.

Este agregar una cantidad significativa

de madera a la trayectoria de flameo de

fase media a tensor. El VFIC a lo largo de

esta trayectoria ser aproximadamente 255

kV [aislador (155 kV) + cruceta de


27/38



madera (0.52 m . 250 kV/m = 130 kV) +

poste de madera (0.3 m . 65 kV/m = 20

kV)] Esto reduce el nmero de flameos

por voltajes inducidos a menos de 0.8

flameos/100 km/ao.

Otros diseos de estructura tales como lneas

terminales, en ngulo y de cruce debern ser

tambin examinadas. Las diferentes opciones

de mejoramiento pueden ser comparadas en

costos contra los diseos existentes y contra la

mejora en confiabilidad en el servicio y

calidad de la energa.

A.2 Ejemplo 2 Lnea de distribucin de35kV con cable de guarda

Problema: Una empresa de servicio de energa

elctrica est considerando utilizar el diseo

de una lnea de distribucin protegida para sus

circuitos de 35 kV de cuatro cables con neutro

multiaterrizado(ver figura A.2). La lnea ser

construida en un rea con un factor de

proteccin de 0.5 debido a estructuras

cercanas y con un nivel cerunico de 60 das

de tormentas al ao. El diseo provee un

ngulo de apantallamiento de 24. Los

aisladores de fase corresponden a aisladores

de porcelana tipo Line Post, clase ANSI 57-2,

montados sobre brazos metlicos. El cable de

proteccin est soportado por un aislador de

porcelana tipo pin, clase ANSI 55-5. La lnea

de distribucin utiliza postes de madera de

15.24 m de altura y cada poste tiene su puesta

a tierra con una resistencia de 10 Ohmios o

menos.

De los clculos de VFIC de la tabla A.2, es

obvio que son necesarios separadores de fibra

de vidrio para el cable de puesta a tierra. El

cable de la lnea de tierra est separado del

poste con un aislador de fibra de vidrio de

0.46 m y est pegado al poste a 0.49 m debajo

del conductor de fase inferior. Sin los brazos

de fibra de vidrio, el VFIC sera de 180kV, lo

cual generara flameos por voltajes inducidos

y el cable de proteccin no sera efectivo para

prevenir flameos por descargas directas.

Aunque la trayectoria ms baja es 261 kV, las

trayectorias ms crticas son las trayectorias

de flameo fase a tierra, debido a que el voltaje

en una descarga al cable de guarda y voltajesinducidos por esta son esfuerzos de voltaje

fase a tierra. La mnima trayectoria de flameo

fase a tierra es 325 kV de la fase C a la lnea

de tierra del poste.

Figura A.2 Estructura en poste demadera de lnea a 35 kV con cable deguarda


28/38


29/38



asume que todos los flameos causan fallas,

como se muestra:

Total fallas = Directas = 1.8 fallas/100

km/ao

Opciones de mejoramiento a considerar. El

diseo mostrado en la figura A.2 tiene muy

buen comportamiento al flameo. Una

consideracin es que el objetivo de diseo de

10 Ohmios de impedancia a tierra puede ser

difcil de lograr en la prctica. La figura 8

puede ser usada para estimar la reduccin en

el rendimiento debida a la impedancia del

suelo. Por ejemplo, si la impedancia del suelo

es 50 Ohmios, la rata de flameos aumentar al

35% de las descargas directas (15.3 fallas/100

km/ao).

Una opcin de mejoramiento a considerar

sera utilizar brazos aislantes de fibra de

vidrio en lugar de los brazos de acero

especificados. Esto aumentar los VFIC fase a

fase y fase a tierra.

Cuando se compara este diseo con diseos

no protegidos, el incremento en el costo de

construccin deber balancearse contra los

costos de las interrupciones de energa

causadas por los flameos.

ANEXO B(Informativo)

MODELOS TCNICOS YSUPOSICIONES

B.1 Apantallamiento

Un modelo electromagntico puede serutilizado para estimar el factor de proteccin

de una porcin especfica de una lnea de

distribucin. Un modelo electromagntico

est basado en la idea de que una lnea de

distribucin u otro objeto tiene un cierto radio

de atraccin que aumenta con la altura, e

igualmente el radio de atraccin depende de la

magnitud de la corriente en la descarga tipo

rayo. Aunque se han propuesto varios

modelos, la ecuacin usada para el clculo de

las distancias crticas de choque es la

ecuacin adoptada por el grupo de trabajo de

la IEEE para estimar el comportamiento de

las lneas de transmisin a las descargas tipo

rayo, dada por la ecuacin B.1.

rs= 10 . Io0.65

(B.1)

rg= 0.9 rs

Donde:

rs Es la distancia de choque al conductor (m)

rg Es la distancia de choque a tierra (m)

Io Es la corriente pico del rayo (kA)

Este modelo electromagntico es usado para

los clculos de factor de proteccin mostrados

en la figura 4 y para la estimacin del flameo

por voltajes inducidos (ver B.2). El modelo

electromagntico puede tambin ser usado

para estimar el nmero de rayos directos

sobre una lnea de distribucin. Esta es una

aproximacin alterna a la frmula de

Ericksson dada en la ecuacin (4). Este

modelo electromagntico da resultados para

descargas directas que estn cerca de la

frmula de Ericksson para alturas de lnea por

debajo de 15 metros. Para lneas de

distribucin con alturas mayores, la diferencia

es mucho mayor.

B.2 Flameos por voltajes inducidos

Los clculos tericos del nmero de flameos

en lneas de distribucin producidos por

descargas cercanas han sido descritos enforma detallada basados en el trabajo de

Chowdhuri. Este trabajo considera

bsicamente los campos electromagnticos

del rayo propagndose sobre una tierra de

conductividad perfecta, para el que cualquier

componente del campo a lo largo de los

conductores de la lnea de distribucin es


30/38



inexistente. Los parmetros bsicos

considerados son densidad de descargas a

tierra DRT, la distancia crtica de choque rs y

el trmino causa, el cual en este modelo es

la corriente pico de la descarga tipo rayo.

Dada la naturaleza al azar de las descargas

tipo rayo, cualquier clculo deber

mantenerse dentro del campo de las

probabilidades y como tal, las distribuciones

probabilsticas de los parmetros involucrados

tendrn que ser utilizadas. En este trabajo se

adoptaron las distribuciones de la CIGRE

para la corriente pico de la descarga tipo rayo.

El concepto de distancia crtica de choque, el

cual deber ser considerado aqu con el fin de

determinar la distancia a la lnea de

distribucin desde donde la descarga tipo rayo

no afectar la lnea, esta dado en la ecuacin

(B.1).

Han sido establecidos modelos detallados

para estimar los voltajes inducidos. Se han

hecho esfuerzos para formular un modelo

completo que tenga en cuenta efectos del

suelo sobre la amplitud y la forma de onda del

voltaje inducido.

Varios modelos de voltajes inducidos se

tienen disponibles y todos son muy

dependientes de varios parmetros que

incluyen modelo electromagntico, modelo de

corriente de la descarga, velocidad de retorno

de la descarga y caractersticas de la forma de

onda de la corriente. El modelo Rusck se

escogi para voltajes inducidos debido a su

simplicidad, porque ha mostrado ser

matemticamente correcto y porque ha

mostrado ser equivalente a modelos mscomplicados con algunas suposiciones

simples.

B.2.1 Voltaje inducido

De acuerdo a Rusck, el mximo voltaje que es

inducido en una lnea de energa en el punto

ms cercano a la descarga tipo rayo est dado

por:

ZoIoh 1 1Vmax= ------- 1 + ---- --- ------------------

y 2 o 1 2

1- --- ---

2 o

(B.2)

Donde:

Zo es 1 /(4 ) o /o = 30 Ohmios;Io es la corriente pico del rayo;

h es la altura promedio de la lnea de

distribucin sobre el nivel de tierra;

y es la distancia ms corta entre la

descarga del rayo y la lnea;

es la velocidad de retorno de la descargao es la velocidad de la luz en espacio libre

El valor para Zoes 30 Ohmios y generalmente

se asume un valor de que vara entre 0.3 y1.5 x 10

8m/s. Para la expresin simplificada

dada en esta gua, la velocidad de retorno de

la descarga se asume como 1.2 x 108m/s.

B.2.2 Frecuencia de flameos por descargasindirectas

Para estimar la frecuencia de flameo, se

consideran los procedimientos descritos en la

bibliografa. El intervalo de la corriente pico

del rayo 1 200 kA se divide en intervalos de

1 kA y la probabilidad de que la corriente

pico caiga dentro del intervalo se calcula de la

ecuacin (3). Esta se da como la diferencia

entre la probabilidad de que la corriente sea

mayor o igual que el lmite inferior y la

probabilidad de que la corriente alcance ellmite superior.

La distancia mxima ymaxpara cada intervalo

de pico de corriente en la cual el rayo puede

producir un flameo del aislamiento en la lnea

de distribucin es entonces calculada. Esto es

obtenido resolviendo la ecuacin (B.2) paray,

tomando Io como el lmite inferior de la


31/38



corriente del intervalo, tomando Vmax como

1.5 VFIC. El factor 1.5 es una aproximacin

que tiene en cuenta el cambio en la curva

voltaje vs tiempo del aislamiento. Esta

aproximacin es utilizada para clculos de

voltaje inducido, cable de proteccin y

separacin entre pararrayos. Se asume que

estos voltajes presentan unas formas de onda

ms cortas en duracin que la onda tradicional

estndar de 1.2 x 50 microsegundos.

La distancia mnima yminpara la cual el rayo

no se desva de la lnea, se calcula de la

ecuacin (5). Por esto, rs y rg se calculan

tomando el lmite superior del intervalo de la

corriente. Esto se muestra grficamente en la

figura B.1.

ymin = rs2 (rgh)

2(B.3)

Por ejemplo, siguiendo el procedimientodescrito, con un VFIC de 200 kV, para un

intervalo de corriente de 49 50 kA, ymax y

ymin resultan en 84.6 m y 72.5 m,

respectivamente. En campo abierto los

siguientes tres escenarios pueden ocurrir:

a) Si el rayo cae entrey = 0 yy=ymin= 72.5

m, el rayo caer en la lnea.

b) Si la descarga cae entrey= ymin = 72.5 m

yy=ymax = 84.6 m, el rayo caer en tierra

y causar un flameo de voltaje inducido.

c) Por encima de y= ymax = 84.6 m, el rayo

caer a tierra y no causar flameo.

Finalmente, el nmero de flameos del

aislamiento por km de lnea de distribucin

por ao, Fp, se obtiene de la sumatoria de las

contribuciones de todos los intervalos

considerados, como se expresa por

200

Fp = 2 . ( ytmax ytmin) . Ng. Pi (B.4)i =1

B.2.3 Comparacin experimental

El mtodo descrito aqu provee una forma

simplificada para determinar el nmeroesperado de flameos a una lnea de

distribucin por descargas cercanas.

Pruebas de campo y pruebas sobre rayos

provocados dan una indicacin de la

seguridad de este modelo. Descargas tipo rayo

registradas en una chimenea de 200 metros de

altura, a 200 metros de la lnea mostraron

mediciones con muy buena correlacin con

este modelo, (aunque algunas mediciones

tienen poca correlacin). Mediciones de rayosprovocados con lanzacohetes efectuadas en

una lnea de distribucin a 145 metros de la

descarga tipo rayo mostraron que las

mediciones fueron un 63% mayores que los

voltajes modelados. Ericksson y otros,

mostraron resultados con muy buena

correspondencia con el modelo de Rusck.

B.2.4 Efecto del apantallamiento

Los resultados dados en la figura 5corresponden a una lnea de distribucin en

campo abierto. Este modelo es comparable

con los resultados experimentales discutidos

en B.2.3. Un circuito con rboles y edificios

en las cercanas no tendr muchas descargas

directas, pero tendr ms posibilidades de

flameos por voltajes inducidos debido a que

Figura B.1 Uso de los modeloselectromagntico y de Rusck paradeterminar el flameo por una descargadirecta o por un voltaje inducido


32/38



los objetos cercanos permitirn descargas

cercanas a la lnea. El modelo de Rusck para

una lnea de distribucin protegida por

objetos en la cercana da estimaciones poco

confiables del comportamiento de la lnea de

distribucin como se observa en la figura B.2.

Este modelo asume que los objetos cercanos

causarn descargas a unas distancias iguales

de la lnea de distribucin usando ymax para

determinar el nmero de flameos.

200

Fp = 2 . ytmax. Ng. Pi (B.5)i =1

Este modelo es irreal en cuanto a que da

muchos flameos para circuitos con altos

valores de VFIC. El modelo I/Y que predijoRusck se puede venir a tierra por descargas

muy cercanas a la lnea. Igualmente, mucha

parte de la verificacin del modelo de Rusck

ha sido efectuada para lneas en campo

abierto o para descargas con distancias por

encima de 100 metros.

B.3 Modelo del cable de guarda

La estimacin del comportamiento del cable

de guarda se modela utilizando una propuestasimilar a la adoptada por el grupo de trabajo

para estimar el comportamiento ante

descargas tipo rayo de las lneas areas y

usado en el programa FLASH. Una distancia

ms estrecha entre postes en las lneas de

distribucin impide un modelo seguro con el

algoritmo existente, de tal modo que es

necesario efectuar algunas modificaciones

para las lneas de distribucin.

Debido a las cortas distancias entre postes enlneas de distribucin, las reflexiones de

postes adyacentes pueden reducir el voltaje

del aislador. Dichas reflexiones de postes

adyacentes reducirn tanto el voltaje pico

como la cola de la onda. Para clculos del

voltaje pico, solo los postes adyacentes

debern ser considerados. Para clculos de los

voltajes de cola, se necesita considerar postes

adicionales, (el modelo FLASH desprecia

torres con tramos adyacentes).

El modelo FLASH efecta clculos de voltaje

a 2 s y a 6 s. Para lneas de distribucin,

solo el voltaje a 2 s ser calculado. Se asume

que reflexiones de postes adyacentes

rpidamente reducirn la cola, de tal manera

que el punto de 2 s determina el punto de

flameo. Los voltajes de baja frecuencia

pueden ser ignorados. Aunque estos pueden

afectar cual o cuales fases flamean, los efectos

del voltaje de baja frecuencia no cambiarn la

rata total de flameo.

La impedancia del poste y el tiempo de

recorrido no contribuirn significativamente a

incrementar los voltajes cerca del frente de

onda, debido a las pequeas alturas de los

postes. Por ello, los efectos del poste pueden

ser ignorados.

Figura B.2 Flameos por voltajes inducidosbasados en el modelo de Rusck para uncircuito en campo abierto y para uncircuito protegido por rboles y/o edificios


33/38



El modelo simplificado considerado se

muestra en la figura B.3, modelado con puesta

a tierra adyacente. Zs es la autoimpedancia

del cable de guarda.

Una expresin para el voltaje, incluyendo

reflexiones de postes adyacentes, se resuelve

en t= 2 s como se muestra en la ecuacin

(B.6). El voltaje fase a tierra a travs del

aislamiento es igual a v(1-cn). Donde cnes el

coeficiente de acople.

IRt Zw(1-N

) (1-N) N NV= --- Zi- ---------- + IRZw------- - ---

2 1- (1-)2 1-

(B.6)

2Ri2 Z . (Z-Rn)

Zw= ------------------ (B.7)

(Z+Ri)2. (Z+Rn)

RiZ

Zi= --------- (B.8)

Z + Ri

(Z Ri) . (Z Rn)

= ---------------------- (B.9)

(Z + Ri) . (Z + Rn)

Donde:

N es el valor ms grande que puede alcanzar

el nmero de onda (el mayor nmero entero

es < t/2).

Una tierra no lineal dada por las ecuaciones

siguientes se utiliza para la puesta a tierra del

poste escogido:

Ro

Ri = ------------- (B.10)

1 + IR/ Ig

Eg Ig= -------------- (B.11)

2 Ro2

RoZ

iR= IR ---------------- (B.12)

Ro+ Z

Donde:

Ri es la resistencia de puesta a tierra del

poste, la cual es funcin de la corriente a

travs de la resistencia;

Ro es la resistencia medida de baja corriente

Eg es la tensin de falla del suelo o el

gradiente de ionizacin que se asume de

300 kV/m;

es la resistividad del suelo en Ohmios .m;IR es la corriente pico de la descarga.

Debido a que mucha menos corriente fluir a

travs de postes adyacentes a tierra, la baja

resistencia de corriente, Ro, es usada para lospostes adyacentes a tierra.

A 2 microsegundos, la curva de aislamiento

voltaje - tiempo se asume que el VFIC tiene

un incremento de 1.5 veces. Esto es algo ms

bajo que la curva de voltaje tiempo para

longitudes de aisladores usadas en el modelo

Figura B.3 Modelo simplificado de unadescarga directa a un cable de guarda

para lneas de distribucin


34/38



FLASH (el cual es 1.68 veces el VFIC a 2

microsegundos). Este modelo se repite para

encontrar la corriente crtica usada para hallar

la probabilidad de flameo utilizando la

ecuacin (3). El resto de suposiciones para el

mode

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