AISLAMIENTO ELECTRICO

Capítulo 1. Principios de Seguridad

El aislamiento eléctrico y su trabajo en un sistema eléctrico. Monografía elaborada como texto base para el curso solicitado por KEDE Consulting. Junio de 2010, Quito, Ecuador.

Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergéticas (CIPEL)

TEMA 1. GENERALIDADES.

Tema 1. Generalidades. Enero 2010

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1.1.- Introducción. Los equipos e instalaciones eléctricas son sometidos a diferentes esfuerzos entre los cuales sobresalen los propios esfuerzos bajo condiciones normales de trabajo. El aislamiento si está bien diseñado no debe tener problemas para soportar los esfuerzos que le impone el sistema en condiciones normales de operación, más puede tener problemas si no se tiene en consideración dos fenómenos muy importantes: la contaminación y las sobretensiones, los cuales pueden afectar el aislamiento eléctrico externo de un sistema eléctrico y provocar un fallo o una avería. Existe un gran número de parámetros que intervienen en el proceso de contorneo de los aisladores contaminados: la conductividad ó resistividad de la capa superficial del contaminante, el contenido de agua y su distribución espacial, la turbulencia del aire, las propiedades de la superficie y estructura química de la capa superficial. Por otro lado, una sobretensión es un esfuerzo variable en el tiempo cuyo valor máximo es superior al valor de pico o cresta de la tensión nominal del sistema en el que se origina. Las sobretensiones en una red eléctrica pueden originarse por diferentes causas: por una falla, como consecuencia de una maniobra de operación o por la ocurrencia de una descarga eléctrica atmosférica. Su estudio es fundamental para determinar tanto el nivel de aislamiento que se debe seleccionar para los distintos componentes de un sistema, como para definir los medios y dispositivos de protección que es necesario instalar. Todo esto se debe realizar conociendo el comportamiento de los distintos aislamientos frente a todo tipo de sobretensiones. De manera similar la selección y ubicación de los distintos medios de protección sólo se podría realizar de manera correcta si se conoce su comportamiento frente a las distintas sobretensiones. El estudio de las sobretensiones y la selección de aislamientos y de los dispositivos de protección es el objetivo de lo que se conoce como coordinación de aislamiento. Existen varias formas de llegar a definir el concepto de coordinación de aislamiento; una primera mirada al tema permitiría definir la Coordinación de Aislamiento como la selección de la tensión que deben soportar los distintos equipos, partiendo de que uno de los esfuerzos a que el aislamiento está sometido constantemente es la tensión de trabajo. Por ejemplo, en España, considerando que el comportamiento de cualquier aislamiento depende del tipo de esfuerzos al que es sometido, la definición la completan tal como establece la norma UNE-EN 60071- 1 [l]: la coordinación de aislamiento es la selección de la rigidez dieléctrica de los equipos en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual se encuentran instalados, teniendo en cuenta las condiciones ambientales de servicio y las características de los dispositivos de protección disponibles. Esta definición es una pequeña variación de lo que establece la IEC 60071-1 [2], la cual define la coordinación de aislamiento como la selección de la rigidez dieléctrica de los materiales, en función de las tensiones que pueden aparecer en la red a la cual estos materiales están destinados y teniendo en cuenta las condiciones ambientales y las características de los dispositivos de protección disponibles. Como se observa la única diferencia está en que la norma UNE-EN dirige el concepto a los equipos, mientras que la IEC lo dirige a los materiales, lo cual desde el punto de vista del concepto, hace a esta última norma más general y apropiada, ya que puede estarse en un momento dado hablando de una componente material, por ejemplo, los aisladores utilizados en las instalaciones eléctricas de diferentes niveles de tensión de trabajo, y no de un equipo en particular. La primera selección de la tensión soportada puede estar fundamentada en el concepto de que debe ser igual a la máxima sobretensión que pueda presentarse. Sin embargo la práctica indica que es necesario tener en cuenta otros aspectos y no es aconsejable seleccionar el nivel de aislamiento a partir de esta aproximación o igualdad. El valor más elevado o desfavorable de un determinado tipo de sobretensión se presentara generalmente con una frecuencia muy baja, por lo que el costo asociado a la selección del aislamiento de esta forma podría ser excesivo. No es por tanto aconsejable seleccionar el nivel de aislamiento de un equipo de forma que pueda soportar cualquier sobretensión


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que se pueda presentar: la selección debe tener en cuenta los medios de protección que se pueden utilizar y sobre todo, aceptando una probabilidad de falla. Por otro lado, también conviene tener en consideración que el objetivo de la coordinación de aislamiento no es proteger solo a los equipos eléctricos sino también impedir que se averíen los dispositivos de protección. Es decir, también es necesario que a la hora de seleccionar los dispositivos de protección se tenga en cuenta los esfuerzos a que estos estarán sometidos durante su trabajo. En cualquier campo de la ingeniería es común aceptar una cierta probabilidad o riesgo de falla. Esta probabilidad se debe escoger teniendo en consideración los costos de la inversión y los costos de las averías. Algunas sobretensiones, fundamentalmente aquellas que servirán para seleccionar el aislamiento, se pueden caracterizar de forma estadística mediante una función de densidad probabilística. Asimismo, la rigidez dieléctrica de un aislamiento no tiene un comportamiento típico, sino se rige por un comportamiento estadístico, dependiendo además de la forma de onda de tensión aplicada. Si se toman en consideración todos estos elementos anteriormente mencionados, se puede definir la coordinación de aislamiento como la selección de la tensión soportada normalizada de los equipos teniendo en cuenta las sobretensiones que pueden aparecer, así como los medios de protección que se pueden instalar y las condiciones ambientales de la zona, para obtener un riesgo de falla aceptable [2]. Un estudio de coordinación de aislamiento puede tener diferentes objetivos, en función de lo que se requiere. Considérese el caso de una instalación dada, ya sea una planta de generación, una subestación o una línea de transmisión o distribución, por poner algunos ejemplos, y se podrá ver que el objetivo del estudio podría ser cualquiera de 1os siguientes:

1. La instalación ya está construida y las tensiones soportadas normalizadas, de todos los componentes, han sido seleccionadas: el objetivo es seleccionar y ubicar los dispositivos de protección que pueden reducir el riesgo de fallo.

2. La instalación ya fue diseñada, así como definidos los medios de protección; el objetivo es entonces seleccionar la tensión soportada normalizada de los distintos componentes.

3. Se tiene que diseñar la instalación y el objetivo es seleccionar las tensiones soportadas normalizadas de los componentes de la misma, así como las características y ubicación de los medios de protección.

Para lograr una buena selección, por no hablar de selección óptima aún, del aislamiento y de la protección contra sobretensiones es necesario tener un volumen inicial de información que definirá los resultados posteriores; entre estos elementos informativos que se requieren están:

a. Tensiones de trabajo y condiciones ambientales bajo las cuales estará trabajando la instalación (nivel de contaminación, fundamentalmente).

b. Origen y distribución estadística de las sobretensiones que se pueden originar, c. Caracterización de los distintos tipos de aislamientos a utilizar o utilizados en la instalación. d. Dispositivos de protección que son posibles de seleccionar o instalar, o que ya están

instalados. e. Costos de las distintas opciones o estrategias.

1.2.- Los materiales aislantes. Desde el punto de vista de su uso en las aplicaciones eléctricas, los materiales electrotécnicos se han dividido en cuatro grupos:

a. Conductores. b. Semiconductores. c. Aislantes. d. Magnéticos.


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La conductividad eléctrica es el parámetro que define a cuál de los tres primeros grupos pertenece un material dado, o lo que es lo mismo, cual es su comportamiento frente a un campo eléctrico. Su comportamiento frente a un campo magnético define cuál de ellos pertenece al grupo de los materiales magnéticos. La diferencia en conductividad entre los materiales conductores, semiconductores y aislantes está determinada por particularidades internas; sin embargo, teniendo en cuenta la complejidad de las estructuras moleculares de los materiales electrotécnicos, en los cuales un análisis energético es muy complejo, desde un punto de vista más práctico se pueden clasificar según su resistividad volumétrica, siendo el rango que corresponde a cada grupo el siguiente:

a. Conductores.- 10 - 12 a 10 - 6 b. Semiconductores.- 10 - 6 a 10 -10 c. Aislantes.- 10 - 10 a 10 -20

Las diferencias estructurales entre estos tres grupos de materiales están dadas por la cantidad de energía requerida por los portadores de carga para pasar de la banda prohibida a la banda de conducción. Los materiales aislantes son sustancias en las cuales la banda prohibida es tan grande que la conductividad por electrones prácticamente no se observa bajo condiciones normales; es necesario suministrar a los electrones una gran cantidad de energía para que puedan cruzar dicha banda, lo que se refleja en una pobre conductividad. Los semiconductores son las sustancias en las cuales la banda prohibida es estrecha y puede ser salvada a expensas de acciones energéticas externas pequeñas. Los portadores de carga sólo necesitan una excitación relativamente pequeña (entre 0,12 y 5,3 eV) para pasar dicha banda y convertirse en electrones libres. Esta energía externa se puede suministrar por: cambios de temperatura (debido a la agitación térmica), energía luminosa, flujo de partículas nucleares, campo eléctrico, campo magnético, acciones mecánicas, etc. Los conductores son las sustancias en las cuales la banda prohibida no existe, estando toda la banda saturada de electrones, incluso se superponen las bandas. Como consecuencia de esto, los electrones son libres en el material, ya que pueden pasar de la banda saturada a los niveles no ocupados de la banda libre impulsados por la acción del campo eléctrico. Los materiales aislantes se emplean para crear el aislamiento eléctrico que rodea a los elementos conductores de corriente de los dispositivos eléctricos y que separa entre sí a los que están bajo distinto potencial. Atendiendo a su estado físico los materiales aislantes se dividen en gaseosos, líquidos y sólidos. En un grupo especial se pueden reunir los materiales endurecibles, los que son líquidos en el estado inicial en que se introducen en el aislamiento al hacerlo, pero después se endurecen y el aislamiento acabado y en explotación es sólido, ejemplo típico de ello son los esmaltes y barnices. Es de destacar que todos los gases, aún los obtenidos a partir de materiales conductores, son aislantes. Desde el punto de vista de su naturaleza química los materiales aislantes pueden ser orgánicos e inorgánicos; muchos materiales orgánicos poseen valiosas propiedades mecánicas como flexibilidad y elasticidad y de ellos pueden hacerse fibras, películas y otros artículos de diversas formas, por lo que su utilización es muy amplia. Su principal inconveniente es su relativamente baja temperatura de trabajo y por general están compuestos a base de carbono, y también contienen, oxígeno, alógenos u otros elementos. Como materiales inorgánicos se consideran el resto, y muchos de ellos contienen silicio, aluminio, oxígeno, etc. Los materiales aislantes inorgánicos, en la mayoría de los casos, no son flexibles ni elásticos y suelen ser frágiles; su tecnología de fabricación es relativamente complicada. Por lo general su temperatura de trabajo es mucho más alta que la de los materiales orgánicos.


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Existen materiales de propiedades intermedias entre orgánicos e inorgánicos; estos son los denominados materiales semiorgánicos, en cuyas moléculas, además de los átomos de carbono, hay átomos de otros elementos que de ordinario no figuran en la composición de las sustancias orgánicas y que son más característicos de los materiales inorgánicos, como es el caso del silicio, que es uno de los componentes esenciales de muchos aislantes inorgánicos, entre ellos el vidrio, la porcelana, la mica, etc. Independientemente de su naturaleza física o química, bajo la acción de un campo eléctrico, en ellos se presentan una serie de fenómenos comunes que son:

a. La polarización. b. La conducción. c. La generación de calor debido a las pérdidas de energía en su interior. d. La ruptura para campos eléctricos superiores al crítico.

De los fenómenos antes señalados, la ruptura para campos eléctricos superiores al crítico tiene características particulares distintivas en los dieléctricos gaseosos, líquidos y sólidos por lo que su estudio se hace particular para cada uno de ellos. Para la evaluación integral de un material cualquiera en un uso específico es necesario considerar, además de los fenómenos señalados, su temperatura de trabajo, es decir su comportamiento térmico.

1.2.1.- Los aislantes gaseosos. Los gases o la combinación de ellos forman parte de los dieléctricos de mayor uso siendo un ejemplo típico de ello el aire; poseen varias características que les permiten su utilización como dieléctrico, siendo las más importantes:

a. Su baja cohesión molecular. b. Su gran poder de disipación. c. Su gran capacidad de compresión y de expansión. d. Son fáciles de obtener con un altísimo grado de pureza.

Debido a su baja cohesión molecular los gases son muy fáciles de expandir y de comprimir, de aquí la importancia que en su comportamiento tiene la presión. Todos los gases son aislantes, pero al someterlos a campos de una determinada intensidad, para una presión determinada, pasan a ser conductores. La conducción en los gases puede ser autosostenida o no. Si para mantener un nivel dado de conducción en un gas es necesario, además del campo aplicado, suministrar algún otro tipo de energía externa, se estará en presencia de una conducción no autosostenida; si por el contrario, la conducción se mantiene sin la ayuda de ninguna otra fuente de energía externa, se estará en presencia de una conducción autosostenida y se dice que en el gas se ha presentado la ruptura, es decir, el gas se ha convertido en un elemento conductor. Por tanto, la ruptura dieléctrica en un gas no es más que el paso del estado de conducción no autosostenida a la conducción autosostenida. Como fuentes externas de energía para mantener la descarga no autosostenida pueden citarse: calentamiento y/o irradicación de los electrodos, irradiación del gas con radiaciones nucleares, luz ultravioleta, rayos X, etc. La conducción en los gases comúnmente conocida como descarga en gases, es el término empleado para describir el flujo de corriente a través de un medio gaseoso. Los requerimientos necesarios para que circule una corriente a través de un gas son dos: que por cualquier causa alguna de sus partículas sea ionizada y que exista un campo eléctrico que ponga en movimiento dichas partículas. La conducción en los gases puede ser clasificada en tres tipos de acuerdo a la magnitud de la corriente que circule:


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1. Descarga de Townsend o descarga oscura, en la cual la magnitud de la corriente, para condiciones normales no sobrepasa los 10-6 A.

2. Descarga luminosa, en la cual la magnitud de la corriente varía de 10-6 a 10-1 A aproximadamente.

3. Descarga por arco, en la cual la magnitud de la corriente es superior a los 10-1 A. La descarga de Townsend se caracteriza por una corriente muy pequeña y por tanto es invisible debido a que la densidad de átomos excitados, capaces de emitir luz, es muy pequeña. No es una descarga autosostenida, por lo que requiere de una fuente externa de energía aparte del campo eléctrico, para la producción de los electrones requeridos para iniciar la conducción. Si la tensión aplicada a un tubo de descarga en el cual está presente la descarga de Townsend se incrementa, para una magnitud de tensión dada la corriente aumenta bruscamente, alcanzándose el punto de ruptura. Una vez que esto ha ocurrido la descarga pasa a ser autosostenida la cual puede ser una descarga luminosa o una descarga tipo arco en dependencia de las condiciones del gas y de circuito. Para bajas presiones la descarga más probable es la luminosa, pero a presiones cercanas a la atmosférica la más probable es la descarga tipo arco, si las condiciones del circuito lo permiten, es decir, si su impedancia es baja. En este último caso la luminosidad del gas es muy intensa y de gran turbulencia. La característica de un gas sometido a los efectos de un campo eléctrico se puede analizar sobre la base de la Fig. 1. El circuito como se puede apreciar consta de una fuente de tensión regulable y un juego de electrodos inmersos en un gas cualquiera. La característica del material de uno de los electrodos, el cátodo, es tal que cuando se irradia con luz ultravioleta emite electrones, dependiendo la magnitud de la emisión de la intensidad de la luz. Si en el sistema descrito se mantiene un nivel de irradiación fijo y se varía la tensión se puede obtener la característica de variación de la corriente de conducción a través del gas que se muestra en la misma Fig. 1, y que presenta 4 estados bien definidos.

La pequeña cantidad de iones positivos, de iones negativos y de electrones que hay en el gas se hallan, lo mismo que sus moléculas neutras, en movimiento térmico caótico y al aplicárseles un campo eléctrico débil reciben cierta velocidad adicional y comienzan a desplazarse en el sentido preferencial


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que les impone el campo eléctrico, dando lugar así a una corriente, cuya característica es la que tiene la primera parte de la curva de variación de la corriente con la tensión o zona I. Como se puede apreciar, la corriente en el gas inicialmente aumenta con la tensión aplicada hasta alcanzar un valor constante (I0), al que se le denomina corriente de saturación. Con el aumento contínuo de tensión no hay un incremento apreciable de la corriente (Zona II) hasta que se llega a un punto en que, si se sigue aumentando la tensión, la corriente comienza a aumentar exponencialmente (Zona III) hasta que se llega a la ruptura (Zona IV). Si se aumenta el nivel de irradiación la característica seguirá la misma forma pero en este caso el valor de la corriente de saturación será mayor. La explicación de esta característica de la curva de conducción de un gas está en que todos los gases hay una cantidad determinada de partículas cargadas, iones y electrones; debido a la acción de factores externos como los rayos ultravioletas, los rayos cósmicos, las radiaciones radioactivas, la acción térmica o una tensión aplicada, algunas moléculas reciben la energía necesaria para ionizarse apareciendo así un electrón y un ion positivo; muchos de los electrones son atrapados por los gases electronegativos y se forman así iones negativos. El movimiento y la energía asociada al movimiento de estas cargas dan la explicación a este fenómeno. En la zona I la corriente es proporcional a la tensión (es producto del movimiento de los portadores de carga en el gas de un electrodo a otro y su valor de saturación depende de la cantidad de portadores de carga que posea el gas), cumpliéndose la ley de Ohm; por ejemplo, el valor real de la corriente de saturación en el aire es muy pequeño, del orden 10-15 A/m2, por lo que el aire puede considerarse como un dieléctrico muy bueno en la zona I y en la zona II, que son las zonas de trabajo de los gases cuando se usan como dieléctrico. En la zona III se desarrolla el fenómeno de la ionización por choques, ionización primaria o emisión primaria, nombres con los que se le conoce; este fenómeno es consecuencia de la energía cinética de los electrones propia para cada gas y se cuantifica en base al conocido como primer coeficiente de ionización de Towsend .Este coeficiente define para cada gas el número de electrones producidos por un electrón cuando recorre una distancia de un centímetro en la dirección preferencial que le impone el campo eléctrico en el interior del gas. La energía que puede alcanzar un electrón moviéndose en el interior de un gas depende de la intensidad del campo eléctrico a que es sometido y de la presión del gas, por lo que el primer coeficiente de ionización de Townsend dependerá de estos factores. De continuar aumentándose la tensión aparecen los procesos de emisión secundaria, límite de las zonas III y IV que provocarán un incremento aún mayor en la corriente, pudiéndose alcanzar la ruptura para aumentos posteriores de la tensión aplicada. Estos fenómenos de emisión secundaria se cuantifican en base al segundo coeficiente de ionización de Townsend . El proceso de emisión secundaria tiene su fundamento en el incremento del número de electrones emitidos en el cátodo, como una consecuencia de la ionización por choques que se cuantifica por el primer coeficiente de Townsend; los iones generados por el choque entre electrones en su movimiento hacia el cátodo son acelerados por la presencia del campo eléctrico y, para una magnitud dada de éste, al arribar al cátodo tienen la energía suficiente para arrancarle electrones. Estos nuevos electrones son a su vez acelerados por el campo eléctrico repitiéndose de nuevo el proceso de choques anteriormente descrito, pero la corriente en la descarga aumenta como consecuencia directa de la generación extra de electrones en el cátodo. El número de electrones producidos en el interior del gas debido al fenómeno antes descrito se tiene en cuenta mediante el coeficiente de emisión secundaria . Además ocurre que muchas de las moléculas que han sufrido choques no han aportado electrones a la descarga, sin embargo, se han excitado. Al retornar estas moléculas al estado de equilibrio térmico


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que les corresponde por las condiciones en que se encuentra el gas emiten fotones los que al incidir sobre el cátodo, por el fenómeno de fotoemisión, desprenden electrones del mismo lo que contribuye al aumento de la corriente en el gas. Además, muchos de estos fotones chocan con moléculas del gas inonizándolas por el fenómeno conocido como fotoionización; el efecto de los fotones se tiene en cuenta mediante el coeficiente de emisión secundaria . En adición a los dos tipos de emisión secundaria antes señalados se presenta también el debido a las moléculas metaestables; hay moléculas excitadas por choques con los electrones que han recibido una cantidad de energía tal que no les permitió ionizarse, sin embargo, sí han adquirido energía suficiente para que cuando choquen con otra molécula le entreguen la energía en exceso que tienen y estás se ionicen, o cuando choquen con el cátodo desprendan electrones a éste. Este tipo de emisión secundaria se tiene en cuenta por el coeficiente de emisión secundaria . El efecto total de los fenómenos de emisión secundaria antes descrito se tiene en cuenta en el segundo coeficiente de emisión secundaria de Townsend que está dado por la suma de los efectos antes mencionados, y es directamente proporcional a la intensidad del campo eléctrico aplicado e inversamente proporcional a la presión del gas. La ruptura de un dieléctrico gaseoso, teniendo en consideración todos los fenómenos mencionados anteriormente, se rige por la conocida Ley de Pashen, la cual se muestra en la Fig.2 a través de su expresión matemática y gráficamente.

La Ley de Paschen ofrece la tensión de ruptura en función de la presión del gas P y de la separación entre los electrodos d¸sin embargo esta relación entre Pd y U no es lineal y, aunque la forma de la misma varía para cada gas, en general tiene la forma mostrada en la Fig. 2. Como se puede ver, inicialmente la tensión de ruptura disminuye con el producto Pd hasta alcanzar un valor mínimo a partir del cual comienza a aumentar. La causa de esto es que para valores de Pd < Pdmin el gas está muy enrarecido y se cumple que la separación entre sus partículas es muy grande; si se aumenta la presión esta condición se seguirá cumpliendo pero aumentará el número de choques y con ello la ionización, por lo que la ruptura se presentara para una tensión inferior.

Si se continúa disminuyendo la presión se llegará al punto señalado como Pdmin a partir del cual la distancia entre las partículas del gas ya es mucho más pequeña, por lo que los electrones no podrán alcanzar la energía suficiente para ionizar el gas. Bajo estas condiciones, para que los electrones alcancen la energía necesaria para ionizar el gas hay que entregarles más energía, y para ello es necesario intensificar el campo eléctrico aplicado, lo que se logra


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aumentando la tensión. Esta es la razón por la cual aumenta la tensión de ruptura. Esta ley que se plantea como general para campos eléctricos uniformes tiene su mayor exactitud para separaciones pequeñas entre los electrodos y para bajas presiones. Para presiones relativamente altas esta ley falla, principalmente a causa del efecto que introducen los electrodos. Por ejemplo, para el nitrógeno falla a partir de una presión de 10 atmósferas y para el aire a partir de las 200 atmósferas. Los valores de tensión de ruptura mínima para algunos gases se muestran en la Tabla 1. Para presión atmosférica y temperatura ambiente normal y para electrodos de campo uniforme separados 10 mm la rigidez dieléctrica del aire es del orden de 3 kV/mm y la del SF6 es de 9 kV/mm.

1.2.2.- Los aislantes líquidos.

Los aislantes líquidos son ampliamente usados en equipos eléctricos tales como transformadores, cables, capacitores, bushings, etc., principalmente con funciones de aislantes, pero en algunos casos también cumplen, simultáneamente, la función de medio refrigerante como es el caso de los transformadores y cables aislados. En el caso particular de los interruptores, además de funciones propiamente aislantes, sirven de medio para la extinción de los arcos eléctricos e incluso la lubricar las partes móviles de estos dispositivos. Se emplean como aislantes líquidos fundamentalmente aceites vegetales, aceites minerales y aceites sintéticos. El uso de los aceites vegetales como material aislante data de las últimas décadas del siglo XIX, mientras que los aceites minerales comenzaron a ser usados en gran escala alrededor del año 1910 debido al desarrollo de las refinerías de petróleo. Los aislantes líquidos sintéticos comenzaron a ser desarrollados escala industrial en la década de 1960. Características de los aislantes líquidos [3]. Los líquidos aislantes se caracterizan por tener una estructura atómica en la cual las fuerzas de cohesión molecular propias de su estructura son lo suficiente altas como para que tengan un volumen definido, pero son incapaces de mantener una forma propia, adquiriendo la forma del recipiente que los contiene. Si se comparan los aislantes líquidos con los gases se verá que entre sus ventajas está la de tener una densidad superior y si se le compara con los sólidos tienen la ventaja de que ellos cubren el espacio a aislar con mayor facilidad. Además, tienen la característica, similar a la de los gases, de que después del paso de una descarga a través de ellos restituyen sus características aislantes, sirviendo, además, en muchos casos como elemento de extinción del arco eléctrico. En los aislantes líquidos sometidos a los efectos de un campo eléctrico se presentan también los fenómenos característicos de todos los dieléctricos: se polarizan, conducen una pequeña corriente, se producen pérdidas en su interior y en presencia de un campo eléctrico igual o superior al crítico se presenta en ellos la ruptura. En los aislantes líquidos las características del fenómeno de la polarización se rigen por las mismas leyes que para el resto de los dieléctricos, así como también las pérdidas de energía asociadas a estos fenómenos y a la magnitud de la corriente volumétrica que circula por ellos. Sin embargo, en los aislantes líquidos la conducción y la ruptura reúnen características propias que los diferencian marcadamente de los aislantes gaseosos y de los aislantes sólidos. La magnitud de la conducción volumétrica en los líquidos está determinada por el grado de purificación del líquido. Tecnológicamente los líquidos pueden ser purificados hasta obtener un alto grado de pureza (líquidos aislantes puros), no obstante estos líquidos tienen muy poca estabilidad en presencia de los agentes contaminantes comúnmente presentes en las condiciones de explotación de los equipos eléctricos y pierden sus características aislantes en un tiempo muy corto. La importancia de


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los líquidos puros radica en el hecho de que ellos son de gran utilidad para el estudio de los mecanismos de la conducción que tienen lugar debido a las características propias del líquido como tal. La conducción eléctrica en este tipo de aislante puede ser de dos tipos:

a. Conductividad intrínseca. b. Conductividad debido a

impurezas. Para poder determinar la conductividad intrínseca de un aislante líquido es necesario someterlo a un alto grado de purificación a fin de eliminarle todo tipo de impurezas. La característica de variación de la corriente con la tensión en un líquido puro se muestra en la Fig. 3. Si el líquido es puro y por tanto no hay corriente debido a las impurezas, el aumento de la corriente con la tensión sólo puede ser debido al transporte, por parte

del campo eléctrico, de los iones formados en el aislante líquido producto de la disociación parcial de las moléculas del líquido, Zona I. El grado de disociación molecular de un líquido aislante depende de su estructura molecular; las moléculas polares muestran un grado de disociación menor que las no polares, de ahí que, como regla, se pueda establecer que aquellos aislantes que tienen baja permitividad tienen una conductividad intrínseca menor que los aislantes de alta permitividad. En la zona I de la Fig. 3, el fenómeno de la recombinación tiene una gran influencia en la magnitud de la corriente ya que limita el número neto de portadores de carga que pueden llegar a los electrodos. La recombinación en un aislante líquido está representada por la posibilidad de que un ion en su recorrido se encuentre con otro de signo contrario, se recombinen y pasen a formar una molécula estable. La recombinación natural que tiene lugar en todo líquido se verá alterada por la presencia del campo eléctrico que le fija a los iones un sentido preferencial de movimiento. Una vez que la intensidad del campo eléctrico alcanza la magnitud necesaria para poner en movimiento todos los iones producidos por la disociación molecular natural del líquido la corriente tiende a estabilizarse, Zona II o zona de saturación; ahora bien, cuando al incrementar la tensión aplicada el campo eléctrico alcanza una magnitud del orden de 1 kV/cm la disociación molecular en el líquido comienza a crecer y con ello la corriente también crece. Esta tendencia se mantiene hasta que el campo alcanza una intensidad tal (Zona III) que los iones alcanzan la energía necesaria para, al bombardear al cátodo, desprender electrones de él. Además, en su recorrido a través del líquido los iones chocan con las moléculas de éste, ganando éstas en energía y aumentando por tanto su vibración con lo que se puede romper el enlace entre sus átomos, apareciendo así nuevos iones que, como es natural, aumentaran aún más la corriente en el líquido. Particularmente sensibles a fenómeno son los enlaces covalentes carbono-carbono y carbono-hidrógeno presentes en los aislantes líquidos. De continuarse incrementando la tensión el desarrollo del fenómeno antes descrito llevará al líquido a la ruptura.


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En los aislantes líquidos comerciales la conductividad debido a las impurezas es muy superior, aunque de la misma naturaleza, comparada con la conductividad intrínseca que le correspondería al aislante puro como se muestra en la Fig. 4.

La característica de variación de la corriente con la tensión mantiene la misma forma, pero alcanza valores mayores en la zona I y en la zona II y además la ruptura se presentará, para las mismas condiciones de prueba, a tensiones menores. Las causas que motivan la disminución de la tensión de ruptura están dadas por el papel predominante que en ella juegan las impurezas del líquido. En los aislantes líquidos se presentan tres mecanismos de ruptura:

a. La ruptura electrónica o intrínseca. b. La ruptura debido a las burbujas de gas. c. La ruptura debido a las partículas suspendidas.

La ruptura electrónica se plantea que es la causante de la ruptura en aquellos casos en que la intensidad del campo eléctrico a que está sometido el líquido tiene una razón de crecimiento tal que se alcanzan intensidades de campo de tal magnitud que algún electrón de los emitidos por el cátodo, en su recorrido hacia el ánodo, alcancen la energía suficiente para ionizar las moléculas del líquido, provocando una avalancha de electrones de tal magnitud que conduzca a la ruptura; para que este tipo de descarga se presente se tiene que cumplir la condición referente al crecimiento del campo eléctrico antes señalada ya que de lo contrario se presentaría la ruptura por uno de los otros dos mecanismos de ruptura, que requieren de un tiempo más largo para su desarrollo. Por las causas antes señaladas es que la tensión de ruptura de los aislantes líquidos para tensiones transitorias es muy superior a las tensiones de ruptura para corriente alterna y para corriente directa. La burbujas de gas presentes en el aislante líquido son consecuencia de la concentración del campo eléctrico que tiene lugar en las rugosidades microscópicas de las partes metálicas a potencial que fungen como electrodos en todos los dispositivos eléctricos y debido a que en ellas también se presenta una alta concentración de corriente, la disipación de calor en ellas por efecto Joule y/o por efecto corona hace que la temperatura del líquido, en esa región, alcance la temperatura de ebullición, formándose una burbuja de gas. Otras causas que pueden dar lugar a que en el interior de un líquido aislante puedan existir burbujas de gas son la acumulación de gases producto de los procesos de oxidación, manipulación inadecuada durante el llenado del equipo con el líquido aislante, las repetidas contracciones y distensiones que tienen lugar en los equipos debido a las variaciones periódicas de la curva de carga a lo largo del día y a los cambios bruscos como los motivados por cortocircuitos sobretensiones, etc.


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Debido a la diferencia que existe entre la permitividad del líquido (εlíq) y del gas de la burbuja (εgas), donde εlíq > εgas, el campo eléctrico aplicado a este último es muy superior al que está aplicado al líquido, ya que como se sabe la intensidad del campo eléctrico en un medio cualquiera es inversamente proporcional a su permitividad y como en los gases, a presión atmosférica o cercana a ella, la tensión requerida para el inicio de los fenómenos de ionización y para el desarrollo de la ruptura es menor que en los líquidos, estos fenómenos podrán desarrollarse en las burbujas de gas aún cuando la tensión aplicada al líquido diste mucho de la requerida para que en él se desarrollen fenómenos similares. Las fuerzas de Coulomb que actúan, debido a la acción del campo eléctrico, sobre la nube espacial que se forma en los extremos de la burbuja, hace que la burbuja se alargue en la dirección del campo eléctrico, creando así un camino de menor rigidez dieléctrica dentro del líquido. Además los electrones e iones acelerados por el campo eléctrico dentro de la burbuja al bombardear sus paredes provocan la descomposición de algunas moléculas del líquido y la evaporación de otras, lo que también contribuye al crecimiento y alargamiento de la burbuja. Otro factor que incrementa la posibilidad de ruptura en un aislante líquido es el incremento en la temperatura a valores cercanos a su temperatura de ebullición o cercanos a la temperatura de ebullición del agua contenida en él, si es que la tiene. De cumplirse cualquiera de estas dos posibilidades comenzarán a generarse burbujas de gas a través de las cuales se desarrollará la ruptura, disminuyendo por tanto la tensión de ruptura en el líquido. Cuando a un líquido se le aumenta la presión estática a que está sometido, esta presión es transmitida a la burbuja, por lo que la presión del gas en la burbuja aumentará, aumentando con ello la tensión requerida para el inicio de los fenómenos de ionización y de ruptura en ella de acuerdo con la ley de Paschen y por lo tanto la tensión de ruptura en el líquido aumentará. Por tal razón, uno de los métodos que se sigue para aumentar la tensión de ruptura de los líquidos es desgasificándolos ya que con ello se elimina este tipo de mecanismo de ruptura. Por esta razón es que los equipos eléctricos que trabajan inmersos en algún tipo de aislante líquido deben ser llenados al vacío para evitar que queden atrapadas en él burbujas de aire. La presencia de partículas suspendidas en el líquido aislante hace que disminuya la tensión de ruptura del mismo; sobre las partículas fibrosas, siempre que su permitividad sea superior a la del líquido, quedara aplicada una fuerza que actuará en la dirección del campo que hace que la partícula se mueva hacia las regiones de más alta intensidad de campo eléctrico. Esta fuerza depende de la permitividad y del radio aproximado de la partícula, así como de la intensidad del campo eléctrico aplicado; cuando alcanzan el electrodo correspondiente pasan a ser de hecho una prolongación de éste, por lo que la región de más alta intensidad de campo eléctrico pasa a ser ahora el extremo de la partícula, hacia donde se dirigirán las demás partículas fibrosas, formando una cadena que puede llegar a cortocircuitar el espacio entre los electrodos. Como las partículas fibrosas son muy higroscópicas el agua contenida en el líquido aislante migra hacia ellas, por lo que al alinearse con el campo eléctrico crean un paso de una rigidez dieléctrica mucho menor que la que la corresponde al liquido aislante como tal. A través de este camino es que se desarrolla la ruptura. En el caso de las gotas de agua que puede haber en suspensión en el interior del líquido, adicionalmente al fenómeno antes descrito, ocurre que bajo la acción de dicha fuerza la gota se deforma alargándose considerablemente, con lo que le es más fácil llegar a cortocircuitar los electrodos. Esta es la razón por la cual los líquidos que contienen de agua tienen una rigidez dieléctrica baja.

1.2.3.- Los aislantes sólidos [3].


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Los aislantes sólidos son extremadamente diversos, tanto por su origen como por sus propiedades. Pueden ser fabricados a partir de materiales orgánicos de origen vegetal como es el caso de la tela y del papel, o a partir de síntesis química como es el caso del polietileno, el policloruro de vinilo etc. También se usan mucho los materiales aislantes sólidos construidos a partir de sustancias inorgánicas como es el caso de la porcelana y el vidrio, y en la actualidad tienen cada día más uso los obtenidos a partir de la unión, por síntesis química, de materiales orgánicos y de algunas sustancias inorgánicas como el silicio y el aluminio. Independientemente de su origen ellos se caracterizan por tener una alta cohesión molecular lo que les permite tener un volumen y una forma definida. Este hecho, según se ha podido comprobar teóricamente y prácticamente, es un factor predominante en el comportamiento de los materiales aislantes sólidos frente al campo eléctrico y en especial en su conductividad. En los materiales aislantes sólidos se presentan dos tipos de conducción perfectamente definidas: la volumétrica y la superficial. En los materiales aislantes sólidos la ruptura, ante campos superiores al crítico para la condición de que se trate, se ve influenciada por un gran número de condiciones diferentes que determinan un número apreciable de distintos fenómenos de ruptura. La conductividad propia de los materiales aislantes sólidos puede ser iónica, electrónica o combinada. La conductividad iónica es la más característica en la mayoría de los aislantes sólidos usados a las temperaturas normales de trabajo y la misma depende básicamente de las imperfecciones en la estructura del material y de las impurezas que contenga. Los factores que más influyen en la conductividad volumétrica de los aislantes sólidos son:

a. La temperatura. b. La intensidad del campo eléctrico. c. El contenido de humedad.

Temperatura.- A bajas temperaturas la conductividad propia de los aislantes sólidos se debe casi completamente a las impurezas del material y a las imperfecciones estructurales; sin embargo, a medida que se aumenta la temperatura y aumenta con ello la agitación térmica debido a la disminución de las fuerzas de cohesión molecular, aumenta el número de iones producto de las impurezas y de las imperfecciones del material que se liberan de la estructura a la que están débilmente unidos. Si se continúa aumentando la temperatura se puede llegar a la energía de activación de los iones de la red atómica del material con lo que ellos pueden abandonarla y pasar a ser portadores libres, aumentando de esta forma rápidamente la conductividad del material. Por ejemplo, para los cristales de sal a temperatura ambiente la conducción es debido a las impurezas, pero al llegar la temperatura a los 220 ºC comienzan a liberarse los iones de sodio determinando ellos la conductividad. A los 600 ºC comienzan a aparecer también, como iones libres, los iones de cloro. Mientras que en los líquidos el aumento en la conductividad al aumentar la temperatura se refleja fundamentalmente por un incremento en la movilidad de los iones, debido a la disminución de la viscosidad del líquido, en los sólidos el incremento se debe al aumento en la cantidad de iones libres. Campo eléctrico. - Para campos de relativamente baja intensidad, del orden de las intensidades de campo empleadas en la práctica, la conductividad se puede considerar independiente del campo eléctrico, pero a medida que éste se intensifica se puede llegar a un valor tal en que es capaz de suministrar a los iones la energía de activación que ellos necesitan para ser arrancados de la estructura del material, con lo cual el número iones por centímetro cúbico comenzará a aumentar, aumentando por lo tanto la conductividad. De continuar incrementándose el campo se puede llegar al punto en que arranque electrones, incrementándose aún más la conductividad. Por ejemplo, en los cristales de sal, a temperatura ambiente, la energía necesaria a suministrar por el campo eléctrico a los iones de sodio es de 0,85 eV, para el cloro es de 2,55 eV y para los electrones es de 6 eV.


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Contenido de humedad.- El agua es un dieléctrico muy dipolar y con baja resistividad, del orden de 103

- 104 , y por esto su introducción en los poros de los dieléctricos sólidos ocasiona un descenso brusco de sus propiedades eléctricas, en especial, de su resistividad tanto volumétrica como superficial. Espacialmente susceptibles a la humedad son los materiales aislantes de naturaleza fibrosa. El diámetro efectivo de una molécula de agua es de 2,7 Angström lo que le permite penetrar con facilidad en los capilares de las fibras de celulosa que son del orden de los 1000 Angström, pero también pueden llegar a penetrar por los poros de los materiales cerámicos en los que se pueden encontrar poros de diámetro superior al diámetro efectivo de la molécula de agua. Una de las peores condiciones de absorción de humedad se presenta cuando ésta llega a formar hilos o películas en el espesor del aislamiento capaces de atravesar el espacio entre los electrodos, o una parte importante de él, lo que puede dar lugar a un empeoramiento grande de sus propiedades eléctricas, pudiendo llegar a la ruptura. Otro efecto negativo del agua en un dieléctrico es que ella puede actuar como agente disolvente, sobre todo si el material contiene impurezas, alterando así las propiedades químicas del material aislante y con lo que también cambian sus propiedades eléctricas. Los materiales considerados higroscópicos, para protegerlos de la humedad después de secados, necesitan ser impregnados o recubiertos con un material no higroscópico y con esto se logra disminuir considerablemente la velocidad de humectación del mismo. Sin embargo, al cabo de una acción prolongada de la humedad su resistividad disminuye igual, ya que las moléculas de las sustancias impregnantes comúnmente usadas tienen dimensiones muy grandes comparadas con las de las moléculas de agua y por tanto son incapaces de impermeabilizar por completo los poros del material, sobre todo los poros más pequeños por donde penetra la humedad. La conductividad superficial de un material aislante expuesto al medio ambiente depende básicamente de las condiciones ambientales, fundamentalmente de la humedad y de la contaminación ambiental. De los parámetros propios del aislador, su naturaleza hidrofóbica o hidrofílica son muy importantes pues ellas determinan su respuesta ante el agua, en estas propiedades también juega un papel importante la naturaleza polar o no del material. Los materiales aislantes, con la superficie perfectamente limpia y seca, tienen una resistencia superficial del orden de 107 - 1010 y después de ser expuestos al aire con 100 % de humedad relativa la resistencia de las superficies hidrofóbicas disminuye de dos a cuatro órdenes de diez y las superficies hidrofílicas disminuyen de cinco a siete ordenes. Los mecanismos de ruptura en los aislantes sólidos son extraordinariamente diversos y en muchas ocasiones la ruptura es el fruto de la combinación de más de uno de ellos lo que dificulta mucho más la evaluación de la causa de la ruptura. En los aislantes sólidos la ruptura puede tener lugar a través del volumen del material (perforación) o a lo largo de su superficie. En el primer caso el material pierde sus propiedades aislantes, pero en el segundo caso depende de cómo tenga lugar la ruptura: en el medio que rodea al material aislante o por la superficie del mismo. Los tipos de ruptura por perforación que se presentan en los materiales aislantes sólidos son:

a. Ruptura intrínseca o eléctricamente pura, b. Ruptura electromecánica. c. Ruptura electrotérmica. d. Ruptura por descargas. e. Ruptura electroquímica.

La ruptura por descargas puede deberse a diferentes causas entre las que se destacan: a. Descargas internas en cavidades de gas.


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b. Altas concentraciones de campo por rugosidades en la superficie de los electrodos o por inclusiones conductoras.

c. Descargas entre los electrodos y el material aislante a través del medio externo. La ruptura superficial puede ser debido a:

a. El desarrollo de descargas superficiales por alteraciones en la distribución de tensión en la superficie del aislante.

b. Por erosión debido a descargas superficiales. c. Por carbonización (“tracking”) debido también a descargas superficiales.

Por la importancia y relación que posee con el concepto de la coordinación del aislamiento se profundizará en este último tema: la ruptura superficial. La ruptura superficial en los materiales aislantes puede desarrollarse de dos formas bien definidas: en el medio que lo rodea o sobre su superficie. Al situar un cuerpo aislante entre dos electrodos se presenta una alteración en la distribución del campo eléctrico entre ellos que trae siempre como consecuencia una disminución de la tensión de ruptura del sistema en su conjunto, desarrollándose la ruptura en el medio que rodea el cuerpo aislante. La tensión de ruptura, para el mismo espaciamiento entre los electrodos depende de la configuración del cuerpo aislante pues ésta es quien determina la distribución del campo eléctrico y con ello el posible recorrido de la descarga. La ruptura como tal se rige por las leyes que la gobiernan en dependencia del medio de que se trate. Este tipo de ruptura tiene una particular importancia en los aisladores de las líneas aéreas, a los que al cambiársele la configuración para variar su comportamiento ante la contaminación ambiental se altera también la tensión de ruptura de ellos, tanto para corriente alterna como para impulso, factores estos muy importantes a la hora de establecer la coordinación de aislamiento de la línea en que se empleen. Hay otros tipos de ruptura superficial en que si dependen de los fenómenos que se desarrollan directamente sobre la superficie del aislador entre las que se destacan:

a. El desarrollo de descargas superficiales por alteraciones en la distribución de tensión en la superficie del aislante.

b. Por carbonización (“tracking”) debido también a descargas superficiales. c. Por erosión debido a descargas superficiales.

En el desarrollo de descargas superficiales por alteraciones en la distribución de tensión en la superficie del aislante el papel principal lo juega la contaminación de la superficie de los aisladores. Para que un aislante pueda llegar a fallar debido al desarrollo de descargas superficiales es necesario que se cumplan una serie de requisitos mínimos. 1. Formación de la capa de contaminante. 2. Humedecimiento de la capa de contaminante y aumento de su conductividad y de la corriente de

filtración. 3. Secado de la capa de contaminante en las regiones de mayor densidad de corriente. Formación

de las bandas secas. 4. Descarga a través de las bandas secas y crecimiento de las mismas. 5. Descarga total.

La secuencia anterior no implica que cada uno de los eventos mencionados esté completamente definido en tiempo, pudiendo desarrollarse varios simultáneamente, como es el caso de la contaminación marina directa de los aisladores para exteriores cerca de la costa en la cual la formación de la capa de contaminante, así como su humedecimiento, son eventos que ocurren al mismo tiempo. La falta de uno de ellos inhibirá por completo el desarrollo del fenómeno.


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Una vez formada la capa de contaminante; cuando la misma se humedece, su comportamiento es el de un electrolito, su resistencia disminuye y la corriente de filtración a través de ella aumenta. El calor generado por el aumento en la corriente incrementa la temperatura de la capa de contaminante lo que disminuye aun más su resistencia debido al coeficiente térmico negativo de los electrolitos, manteniéndose esta disminución de la resistencia de la capa hasta que la temperatura en ella llega al punto de ebullición, comenzando a perder humedad por evaporación. En este instante la resistencia comienza lentamente a aumentar hasta que la pérdida de humedad sea tal que la capa de contaminante se sature, comenzando su resistencia a aumentar rápidamente. Este fenómeno es más acentuado en las regiones de la superficie donde la densidad de corriente es mayor llegando a formarse bandas secas en la capa de contaminante. El incremento en la resistencia producido por la formación de las bandas secas hace que la corriente disminuya, pero su formación implica que la mayor parte de la tensión aplicada al aislador aparezca a través de ellas por estar aun húmeda el resto de la capa de contaminante y por lo tanto poseer baja resistencia. El ancho de la banda seca ya formada varía, dependiendo de las características de absorción de humedad de la capa, del régimen de humedecimiento, del lugar donde se forme, etc., hasta llegar a un punto tal en que la tensión aplicada a través de ella es la necesaria para provoca el rompimiento dieléctrico del medio exterior y con ello la formación de un arco entre sus extremos. Una vez iniciada la descarga esta crece hasta un punto tal en que, dependiendo de las características del sistema, se extingue o cubre todo el aislador poniéndolo en corto circuito. La gran distorsión y concentración de altas intensidades de campo sobre la superficie de los aisladores contaminados, provocada por la formación de las bandas secas, explican por qué, siendo la tensión disruptiva del aire del orden de los kV/cm y estando los aisladores diseñados para tener una intensidad de campo sobre su superficie en su régimen normal de trabajo del orden de los 500 V/cm, se pueden producir descargas que pongan en peligro la operación normal del sistema. Los materiales aislantes inorgánicos, tales como la cerámica y el vidrio muy utilizados en los aislamientos eléctricos externos, resisten con relativa facilidad el estado de equilibrio en el cual las descargas sobre la superficie del material se mantienen por relativamente largos periodos de tiempo; sin embargo, los materiales orgánicos no tienen el mismo comportamiento ya que el calor generado por las descargas pueden llegar a producir la descomposición química del material dando lugar a la los fenómenos conocidos como carbonización (“tracking”) y a la erosión. La carbonización (“tracking”) se presenta en los aislantes sólidos de naturaleza orgánica cuando sobre su superficie se generan descargas o cuando, por depósitos conductores, circula por ellos una corriente relativamente alta que hacen que su superficie se caliente y la naturaleza del material sea tal que el efecto del calor generado conlleve una alteración química que produzca carbón. Normalmente en las regiones donde se desarrolla la descarga superficial se crea una traza carbonizada de alta conductividad que hace que en sus extremos aumenta la intensidad del campo eléctrico, con lo que es muy probable que, de producirse otra descarga sea en uno de sus extremos. Esto último hace que la traza carbonizada crezca en una forma ramificada muy parecida a las raíces de un árbol. De continuar existiendo las causas que dieron le dieron origen, las trazas carbonizadas seguirán creciendo hasta llegar a provocar la ruptura. Este fenómeno también se pude desarrollar a partir de una traza conductora cualquiera que exista sobre la superficie del material aislante, por ejemplo, a partir de una traza de grafito producto de una marca que se le haya hecho con un lápiz. En los materiales en los que la descomposición química por acción del calor lo que produce son residuos volátiles, se formarán sobre la superficie del material pequeñas cavidades que alterarán las características superficiales del mismo disminuyendo su resistencia mecánica y facilitando la


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acumulación de sustancias contaminantes que afectan su comportamiento. A este fenómeno se le conoce con el nombre de erosión. Evidentemente el fenómeno de la carbonización es mucho más peligroso que el de la erosión, pues esta va creando zonas conductoras que acortan la longitud de la a línea de fuga de la pieza aislante con lo que se intensifican los esfuerzos eléctricos aplicado al resto del material no dañado, en particular en los extremos de la traza carbonizada, aumentando con ello la probabilidad de que sea en ese mismo lugar donde se presente la próxima descarga.

1.3. El aislamiento eléctrico externo. La creciente necesidad en las últimas décadas de aprovechar mejor el espacio disponible, especialmente en las zonas urbanas, ha conducido a la reducción del tamaño de los equipos eléctricos. El estudio en profundidad del comportamiento dieléctrico de los materiales permite seleccionar, desarrollar y mejorar los aislamientos en busca de diseños más compactos. Como se ha visto anteriormente la propiedad más importante de un aislamiento solido, líquido o gaseoso es su rigidez dieléctrica (E). De forma general la rigidez dieléctrica puede definirse como el cociente entre el nivel de tensión máxima admisible sin provocar la ruptura y la distancia entre los electrodos en los que está aplicada la misma; por todo lo anteriormente visto, la rigidez dieléctrica de un aislamiento depende de la forma de onda de la tensión, polaridad y duración, de la temperatura, presión y humedad del aislamiento, y de la forma geométrica y naturaleza de los electrodos. Para aislamientos expuestos a la intemperie el valor de la rigidez dieléctrica también está condicionado por la lluvia y el nivel de contaminación ambiental. En la práctica, cuando se diseña un equipo, la tensión disruptiva del aislamiento se evalúa teniendo en cuenta el campo eléctrico máximo Emáx que la configuración eléctrica alcanzará y el valor de la rigidez dieléctrica E, en configuraciones aislantes similares construidas anteriormente. Tras la construcción de un prototipo, se determina la tensión disruptiva o en su caso la tensión soportada por el aislamiento mediante ensayos de alta tensión realizados conforme a procedimientos normalizados según la IEC 60060-1 (ensayos de tensión continua, a frecuencia industrial, de impulsos tipo maniobra e impulsos tipo rayo). La descarga disruptiva en un aislamiento es un fenómeno de naturaleza estadística, cuya probabilidad crece cuanto mayor es el nivel de tensión aplicada. Las funciones de probabilidad utilizadas que mejor representan el comportamiento de los distintos aislamientos eléctricos corresponden a la distribución de Gauss, la de Weibull y la de Gumbel. La distribución Gauss es la más extendida por su sencillez, al estar definida solo por dos parámetros: el valor medio U 50%, (nivel de tensión del 50 por 100 de probabilidad de producir descarga disruptiva) y la desviación típica, δ: (diferencia entre el valor medio y la tensión del 16 por 100 de probabilidad de producir descarga, δ = U50 – U16). Algunos aislamientos recuperan íntegramente sus propiedades aislantes tras la descarga disruptiva y se les denomina aislamientos autorregenerables o autorrestaurables, mientras que otros las pierden y se llaman aislamientos no autorregenerables. Por ejemplo, el aire es un aislamiento autorregenerable, mientras que una goma es un aislamiento no autorregenerable. La tensión de soporte establecida para un aislamiento autorregenerable viene dada normalmente por el valor de la tensión U10, cuya probabilidad de ser soportada es del 90 por 100, y normalmente se describe como una función del valor medio de la tensión de soporte y la desviación típica:

U10= U50 – 1,3δ …………………….. 1.1 En el caso del aislamiento no autorregenerable la tensión de soporte corresponde con el 100 por 100 de probabilidad de que la tensión aplicada sea soportada. El aislamiento se clasifica de acuerdo a su localización como externo o interno. El aislamiento externo se refiere a las separaciones en aire o a lo largo de la superficie de los aisladores situados en contacto


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directo con el medio ambiente y por tanto bajo su influencia, es decir, sometido a los cambios de presión, temperatura y humedad que se presentan bajo condiciones atmosféricas normales y puede estar localizado o situado en exteriores o en interiores. Por aislamiento interno se entiende cualquier tipo de material aislante, sólido, líquido o gaseoso, que no está expuesto a las condiciones atmosféricas. El aislamiento externo debe soportar una gran variedad de esfuerzos eléctricos, mecánicos y los que se deriven de la acción del medio, sin que en él se presenten fallas. En el caso de los esfuerzos eléctricos existen dos tipos bien definidos:

a. Esfuerzos de corta duración y de gran intensidad. b. Esfuerzos de larga duración y de relativamente poca intensidad.

Los esfuerzos de corta duración y de gran intensidad son motivados por las sobretensiones externas y por las sobretensiones internas, las que como se sabe se presentan al pasar el sistema de una condición de estado estable a otra. El efecto de estas sobretensiones es el de provocar la brusca ruptura del aislamiento, a lo que, en muchas ocasiones, va asociado una falla en el sistema. Estas sobretensiones son caracterizadas en primera instancia por su magnitud y forma. En sistemas hasta 275 kV la sobretensión que se considera como la más importante para el cálculo del aislamiento externo es la producida por los rayos, la que se simula en los laboratorios de prueba sobre la base de una onda de 1,2/50 µs (1,2 µs de tiempo de frente y 50 µs de tiempo de cola, ver Fig.5a) , en tanto que a partir de esta tensión deben entrar a considerase también las sobretensiones internas, en cuya simulación se emplea la onda conocida típica de 250/2500 µs (ver Fig.5b). La magnitud de la sobretensión depende del nivel de tensión de la instalación.

Esfuerzos de larga duración y de relativamente poca intensidad son aquellos asociados a las condiciones normales de explotación. Entre ellos están: las desviaciones normales en tensión por razones de operación, que pueden llegar a ser de hasta un 10% en algunos niveles de tensión, los motivados por los efectos de la contaminación ambiental y los debido a la no uniformidad en la distribución de tensión a lo largo de los sistemas aislantes. Asociado a estos esfuerzos está el envejecimiento de los elementos aislantes, el que puede ser más o menos intenso en dependencia del tipo de esfuerzo, o la combinación de ellos que prevalezca y de la naturaleza de los materiales de que este construido el aislamiento externo. En las cavidades y desperfectos que pueden existir en el interior de los materiales aislantes de que están construidos los aisladores, se generan descargas que aceleran el envejecimiento del aislamiento y con ello se incrementa la probabilidad de fallas bajo condiciones de tensión nominal de trabajo. Si bien en los aisladores de vidrio y de porcelana este aspecto no es de primera importancia, en el caso de los aisladores poliméricos sí lo es.


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Entre los esfuerzos que se derivan de la acción del medio ambiente están los motivados por la contaminación, la acción físico-química del medio sobre los materiales aislantes y la corrosión de sus herrajes metálicos. Las descargas superficiales que se producen sobre la superficie de los aisladores contaminados es el aspecto más nocivo de la acción del medio ambiente, ya que, como consecuencia de ellas, puede llegar a producirse la descarga disruptiva y con ello una falla en el sistema, pero además, ellas actúan sobre la superficie de los aisladores, fundamentalmente de los aisladores poliméricos, haciendo que pierdan sus características hidrofóbicas. Por otra parte el incremento en la corriente de fuga debido a la contaminación, el ozono producido por las descargas y el calor generado por ellas aceleran los procesos de corrosión. Los esfuerzos mecánicos están definidos por las propias condiciones de la instalación, la fuerza del viento, las sobrecargas por averías, etc. Los esfuerzos mecánicos sobre los elementos aislante se traducen, por lo general, en esfuerzos cortantes, de tensión y de compresión, los que deben ser soportados satisfactoriamente tanto por las partes aislantes como por sus herrajes metálicos. En todas las construcciones aislantes, por lo general, el punto más débil es ante los esfuerzos cortantes, por lo que los mismos deben ser reducidos al mínimo

1.3.1.- Características fundamentales del aislamiento eléctrico externo. Un problema de gran importancia en el desarrollo de los sistemas eléctricos de potencia es garantizar un aislamiento apropiado a las líneas y subestaciones, pues de ello depende en gran medida la confiabilidad del sistema, responsabilidad esta que recae sobre los aisladores que conforman el mismo. Los aisladores que conforman el aislamiento externo de los sistemas de transmisión y de distribución deben ser capaces de soportar la tensión normal de trabajo del sistema, así como las sobretensiones que se produzcan, tanto por rayos como por problemas internos del sistema, es decir, los aisladores deben cumplir los parámetros de aislamiento establecidos para el sistema de que se trate y deben mantener en todo momento la corriente de filtración a través de ellos en valores bajos, aun bajo condiciones de alta humedad, a fin de evitar descargas superficiales y pérdidas de energía. Las partes aislantes de los aisladores para exteriores deben ser capaces de soportar la acción del medio ambiente sobre ellos sin que se altere su composición ni se dañe su superficie, es decir, deben ser capaces de soportar el efecto térmico de las descargas, la acción de las radiaciones solares, los cambios bruscos de temperatura debido a las lluvias, etc. sin que se alteren sus características aislantes en forma apreciable. Además sus partes metálicas deben ser capaces de soportar la acción corrosiva del medio ambiente y de la corriente de filtración por efecto electrolítico, sin que se produzca debilitamiento mecánico que pueda poner en peligro su operación. Desde el punto de vista eléctrico, en los aisladores que conforman el aislamiento externo, no es permisible ningún tipo de falla interna, por lo que se les diseña en forma tal que la tensión de ruptura superficial sea de por lo menos un 30% inferior a la tensión de perforación a fin de constituyan un aislamiento totalmente autorrestaurable (son autorrestaurables todos aquellos aislantes que después de un descarga disruptiva recuperan totalmente sus propiedades dieléctricas). El ser autorrestaurable es una característica obligatoria de cualquier elemento aislante que se emplee como aislamiento externo. Si bien este concepto se ha generalizado para aislamientos externos, cabe señalar que también se aplica para cavidades cerradas, por ejemplo llenas de SF6, como es el caso de los equipos encapsulados. Los fenómenos que pueden hacer que se presenten descargas disruptivas en el aislamiento externo son las descargas superficiales debido a la contaminación y las sobretensiones, correspondiendo al primero la primacía a la hora de seleccionar la forma y longitud de la línea de fuga del aislamiento. Pero una vez determinados estos parámetros, teniendo en consideración este fenómeno, es necesario determinar su comportamiento ante las sobretensiones a fin de determinar si la distancia disruptiva en


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aire de los mismos es la adecuada. Ambos fenómenos están sujetos a variaciones de orden estadístico y si se quiere conocer si una configuración aislante dada es capaz de soportar las condiciones específicas de una instalación es necesario someterla a las pruebas normadas al efecto. Desde el punto de vista de la contaminación ambiental, el esfuerzo a que está sometido el aislamiento externo no cambia. Sin embargo, por ser la contaminación ambiental un fenómeno que depende de muchos factores, como se verá posteriormente, es muy difícil determinar la rigidez dieléctrica del aislamiento externo ya que va cambiando con el tiempo, plateándose el problema en los siguientes términos: determinar la magnitud de la línea de fuga a emplear para cada condición en específico, para la cual el número de fallas se reduzca al mínimo que sea económicamente factible. En el caso de las sobretensiones el esfuerzo a que está sometido el aislamiento es cambiante, ya que la magnitud de las sobretensiones varía dentro de límites muy amplios, por lo que para determinar la probabilidad de que el aislamiento falle ante una condición de sobretensión dada es necesario recurrir a pruebas de laboratorio para determinar la distribución del esfuerzo (E) y su comportamiento ante la rigidez del aislamiento (R). Si se cumple que E > R el aislamiento fallará. La corriente superficial en cualquier disposición aislante depende de la longitud de su línea de fuga, del

estado de su superficie y de la humedad del medio ambiente. Al aumentar la magnitud de la humedad del medio ambiente la corriente de filtración crece, tal como se muestra en la Fig. 6 para un aislador de suspensión estándar sometido a un proceso de humedecimiento. El que la corriente de filtración sea lo más pequeña posible es un requerimiento de primera importancia para el aislamiento externo. ¿Dónde radica la confiabilidad de los aisladores utilizados en las líneas eléctricas de transmisión y distribución?

a. Capaces de soportar la tensión normal de trabajo del sistema.

b. Capaces de soportar las sobretensiones que se produzcan.

c. Capaces de soportar la acción del medio ambiente sobre ellos sin que se altere su composición ni se dañe su superficie y sin que se alteren sus características aislantes en forma apreciable.

d. Sus partes metálicas deben ser capaces de soportar la acción corrosiva del medio ambiente y de la corriente de filtración por efecto electrolítico, sin que se produzca debilitamiento mecánico que pueda poner en peligro su operación.

e. Ser autorrestaurables. Todos aquellos aislantes que después de una descarga disruptiva recuperan totalmente sus propiedades dieléctricas. Los parámetros técnicos de un aislador son bien conocidos; en el caso del aislamiento convencional, ya sea esta de porcelana electrotécnica o de vidrio, estas propiedades y características han sido bien estudiadas. Han demostrado, a lo largo de más de 100 años, un funcionamiento confiable y estable ante diferentes condiciones de explotación, así como han permitido introducir métodos de mantenimiento, como el trabajo en caliente, que han incidido en una reducción de los costos de la actividad y en un incremento de la confiabilidad del servicio.


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Sin embargo, la presencia de los aisladores sintéticos ha cambiado algunas cuestiones que ya se daban por sentadas con el uso de los aisladores convencionales:

• Primero.- Se ha confirmado que las normas actuales no son suficientemente precisas y detalladas, pues todos los aisladores defectuosos fueron calificados en algún momento en el tiempo bajo especificaciones que se refieren a normas internacionales ampliamente utilizadas.

• Segundo.- Las empresas de servicios públicos están tornándose conscientes de que la expectativa de vida útil y el impacto financiero para el plazo de retorno de la inversión de capital de 40 años de plazo de vida útil no es más un estándar para los poliméricos, y más empresas de servicios públicos reduciendo estos plazos a un período máximo de 10 a 15 años, con base en su experiencia.

• Tercero.- Estadísticas recientes están mostrando que muchas fallas del asilamiento sintético están ocurriendo después de los primeros 5 años en servicio, dando una indicación de que esas fallas están relacionadas con el envejecimiento o con problemas de degradación del material, en vez de cuestiones de calidad reparadas rápidamente en los primeros años de servicio.

• Cuarto.- Los métodos tradicionales de mantenimiento no permiten tener una evaluación real de la situación y características técnicas del aislamiento sintético, ya que su comportamiento no es igual al de los aisladores convencionales.

Por tal razón la seguridad y la mantenibilidad de este tipo de aislamiento hay que enfocarlo de manera diferente y en ello incide mucho el nivel de conocimientos que sobre los mismos se tengan y las diferentes técnicas de mantenimiento y diagnóstico que se utilizan actualmente, y hay que tener en cuenta estos elementos a la hora de hablar de coordinación del aislamiento. La construcción más común para aisladores poliméricos es aquella donde se conforman a partir de un núcleo de fibra de vidrio unida con resina (la cual proporciona la resistencia mecánica) y una envolvente externa polimérica, la cual se supone que es resistente a la degradación debida a la intemperie y otros factores ambientales (Fig. 7). Entre los daños que puede sufrir un aislamiento del tipo sintético, o también mal llamados poliméricos, están:

El Fenómeno de Hidrólisis que no es más que la penetración de agua en forma líquida o como vapor de agua al interior de los materiales aislantes.

Las arborescencias, que es una degradación irreversible, y que se caracteriza por la formación de microcanales dentro de los materiales aislantes, los cuales pueden ser conductores o no conductores y pueden extenderse progresivamente a través del material hasta que ocurre una falla eléctrica.

Muestra de lo anterior se presenta en las Fig. 8 donde se observan dos núcleos dañados por erosión y carbonización de las fibras debido a la acción de descargas y efecto de ácidos, en el interior del material y la llamada corrosión electrolítica del núcleo, la cual es conocida también como fractura frágil y se presenta en aisladores sometidos a cargas mecánicas de tensión, en los cuales ha ocurrido un proceso de hidrólisis.


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Los daños que se pueden presentar en la envolvente son de varios tipos y en las figuras que se muestran pueden verse algunos de estos ejemplos de estos fallos.

El agrietamiento o Crazing que es la formación de microfracturas superficiales de profundidad menor a 0,1 mm.

Las grietas o cracking que es cualquier fractura superficial de profundidad mayor a 0,1 mm. El caleo o chalking, que se caracteriza por la aparición de algunas partículas del material de

relleno de la envolvente formando una superficie rugosa o polvosa. (esto es típico del proceso de depolimerización ocasionado por la radiación UV).

La carbonización o tracking que es una degradación irreversible y conductora (aun en condiciones secas). Está formada por caminos conductores y puede ocurrir en superficies externas o en las interfaces de los diferentes materiales aislantes.

La erosión que es una degradación también irreversible, pero no es conductora, en la superficie de la envolvente que ocurre por pérdida de material. Ésta puede ser uniforme o en forma de arborescencia.

En el caso de los herrajes estos sufren el ataque del medio ambiente, pero también es la zona donde el aislador sintético sufre el ataque del sello que une las partes metálicas con la parte aislante. Este es el fallo más frecuente que se ha observado en los aisladores sintéticos y sobre el cual las empresas productoras más han trabajado en la búsqueda de una solución para el problema. En general, puede decirse que el aislamiento externo debe estar diseñado en forma tal que tenga una longitud lo suficientemente grande para el nivel de tensión de que se trate, para evitar la ruptura dieléctrica del aire a su alrededor (distancia de chispa) y tener una línea de fuga adecuada para la condición de contaminación de la región en que esté situado (Fig. 10). Para conjugar adecuadamente estos dos aspectos es necesario seleccionar un perfil adecuado para él o para los aisladores que conforman una construcción aislante determinada.


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1.3.2.- Comportamiento de los aisladores ante las sobretensiones transitorias. Las sobretensiones a que puede estar sometido el aislamiento pueden ser de origen externo, debido a los rayos, y de origen interno, debido a cambios en el estado estable de operación de la red. Las sobretensiones debido a descargas atmosféricas pueden ser por la incidencia directa del rayo sobre la instalación y por inducción, sólo importante en este último caso en sistemas de 34,5 kV y menores. En

la determinación del comportamiento del aislamiento externo ante este tipo de sobretensión se emplea la onda de impulso típica de 1,2/50 µs, vista ya con anterioridad, y con ella se determina la característica tensión contra tiempo del aislamiento. La respuesta del aislamiento externo ante impulsos de diferentes polaridades difiere considerablemente, siendo su rigidez dieléctrica superior ante sobretensiones negativas, tal como se muestra en la Fig. 11 para un aislador de soporte. Como se ha dicho anteriormente en los sistemas hasta 275 kV las sobretensiones que determinan la magnitud y forma del aislamiento externo

son los rayos. Sin embargo, a partir de esta tensión es necesario considerar las sobretensiones internas, no sólo por su magnitud, sino porque la respuesta del aislamiento externo ante este tipo de sobretensión es tal que su rigidez alcanza su valor mínimo en tiempos del orden del tiempo requerido por las sobretensiones para alcanzar su valor máximo, coincidiendo por tanto, en tiempo, el valor mínimo de la rigidez dieléctrica del aislamiento ( Fig. 12) con los valores máximos de la sobretensión, fenómeno éste que no ocurre así para las sobretensiones externas como se puede apreciar en la Fig.11 si se compara la característica U-t de la rigidez dieléctrica del aislador con la de la onda de impulso de 1,2/50 µs. Para determinar comportamiento del aislamiento externo ante este tipo de sobretensión se emplea la onda de impulso de 250/2500 µs, también vista anteriormente, y con ella se determina la característica tensión contra tiempo del aislamiento. Por ser la magnitud de las sobretensiones un evento probabilístico y ante la imposibilidad de diseñar una instalación aislante que sea capaz de soportar todas las condiciones de sobretensión que se pueden presentar, es que se realizan los estudios de coordinación de aislamiento para:

a. Adoptar el nivel de aislamiento adecuado en dependencia de la importancia económica de la instalación.

b. Predeterminar los puntos de la instalación, una subestación, en los cuales debe presentarse la ruptura en los casos inevitables.


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Relación esfuerzo – rigidez del aislamiento externo. Tanto las sobretensiones como la rigidez dieléctrica del aislamiento son eventos probabilísticos, y una falla en el mismo sólo se presentará cuando la magnitud del esfuerzo (E) sea mayor que la rigidez (R) del aislamiento. En la Fig. 13 se muestra la relación existente entre el esfuerzo y la rigidez, así como la probabilidad de que ocurra un esfuerzo dado por la relación f(E1)dE, siendo E1 una condición de esfuerzo dada.

La probabilidad de que el esfuerzo E1 sea mayor que la rigidez dieléctrica del aislamiento está dada por:

…………………………………….. 1.2

Para E1 la probabilidad de falla es:

………….................................... 1.3

Para tener la probabilidad total de falla es necesario considerar todos los valores posibles de R:

………………………………….…. 1.4

Similarmente la probabilidad de falla para cualquier rigidez específica está dada por:

……………………………..….… 1.5

Para R1 la probabilidad de falla es:


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………………………………….…… 1.6 La probabilidad total para todos los posibles valores de E es:

………………………….…………… 1.7 Para una distribución normal como corresponde a la distribución de esfuerzos y a la rigidez dieléctrica del aislamiento se cumple que:

……………………………………… 1.8

………………………………….…… 1.9 Donde µ y s corresponden a la media y a la desviación estándar respectivamente. Si se plantea la relación Z = R - E, como E y R obedecen a una distribución normal, Z también lo será, así se tendrá que:

…………………… 1.10 Estando la probabilidad de falla dada por:

……………………………………… 1.11 En el caso analizado del aislamiento externo, la distribución de los esfuerzos es necesario determinarlo con la ayuda de medios de cómputo, pero la distribución de la rigidez se determina mediante pruebas en un laboratorio usando la forma de onda adecuada a la condición que se quiera evaluar. Probabilidad de falla. Si una onda de tensión de impulso de una magnitud dada se aplica repetidamente a un aislamiento autorrestaurable, la respuesta del mismo no tiene porque ser la misma en todos los casos; algunas aplicaciones pueden provocar la ruptura mientras otras no. La curva de distribución de frecuencia se

obtiene al representar la probabilidad de la ruptura P en función de la tensión aplicada U (Fig. 14). En esta Fig. la curva (1) representa la probabilidad de descarga disruptiva mientras que la (2) representa la probabilidad de que el aislamiento soporte el impulso. El punto donde se cortan las dos curvas corresponde a la denominada tensión de ruptura al 50%. La probabilidad de que se presente la ruptura obedece a una distribución normal y la misma está dada por:


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………………….………….. 1.12 donde:

La desviación típica o estándar es una medida de la dispersión que reflejan los registros de U alrededor del valor crítico de ruptura Ū. El coeficiente de variación es . La ventaja de la distribución normal o gaussiana estriba en que una vez conocida la tensión disruptiva al 50% y la desviación estándar se puede estimar la probabilidad de descarga disruptiva para cualquier tensión. Para corriente alterna y directa no es válido aplicar los conceptos anteriores, por lo que para determinar la tensión de ruptura es necesario someter al aislamiento a prueba: se le aplica tensión y se aumenta esta lentamente hasta que ocurra la ruptura, determinándose el valor crítico de ruptura y la desviación estándar.

Efecto de las sobretensiones sobre los aisladores contaminados.

Aún cuando el efecto fundamental de la contaminación ambiental sobre el aislamiento externo se manifiesta a frecuencia de potencia, no es menos cierto que antes sobretensiones transitorias la respuesta de éste es la de disminuir su tensión de ruptura a valores por debajo de los que tiene bajo condiciones secas. La disminución en la tensión de ruptura depende de la polaridad de la sobretensión, de la longitud de la disposición aislante y del grado de contaminación. En cadenas de aisladores de suspensión para ondas de 1,2/50 µs, es de esperar reducciones en la tensión de ruptura del orden de un 10 - 20 por ciento respecto a las que tiene la misma cadena bajo condiciones secas. Las reducciones más sensibles se presentan cuando la disposición aislante está energizada y en ella se está desarrollando el fenómeno de las bandas secas, condición para la cual es de esperar reducciones en la tensión de ruptura del orden de un 30 - 40 por ciento respecto a la que tiene bajo condiciones secas. En el caso de las sobretensiones internas, simuladas por ondas de 250/2500 µs, las mayores reducciones en los aisladores contaminados se obtienen para ondas de polaridad positiva. La reducción en la tensión de ruptura depende del grado de contaminación de los aisladores, aumentando la diferencia respecto a los aisladores secos y limpios a medida que aumenta el grado de contaminación tal como se muestra en la Tabla 2 para diferentes tipos de aisladores de suspensión contaminados artificialmente. Las reducciones en la tensión de ruptura en este caso son mayores que para ondas de 1,2/50 µs, y la misma depende de la longitud de la configuración aislante y de la forma de los aisladores. Al igual que para el caso de ondas de 1.2/50 µs, cuando el aislador está energizado y en él se está desarrollando el fenómeno de las bandas secas, si se superpone un transitorio debido a una sobretensión interna, las tensiones de ruptura serán menores. El tiempo de duración de la sobretensión juega un papel decisivo, a medida que este tiempo aumenta, disminuye la tensión de ruptura, acercándose sus valores a los que le corresponden para corriente alterna. En general puede plantearse que para disposiciones aislantes a base de aisladores de


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suspensión con un grado de contaminación expresado en sobre la base del DESD de 0,04 hasta 0,08 es de esperar, para corriente alterna reducciones de la tensión de ruptura del orden de un 75 porciento, y para las mismas condiciones de contaminación pero para ondas de 250/2500 µs, se pueden presentar reducciones en la tensión de ruptura de hasta un 40 porciento Es de destacar que sobre este tema existen marcadas diferencias entre los investigadores pues mientras unos reportan la información antes señalada otros afirman que su efecto es despreciable. Las normas para la determinación de una configuración aislante cualquiera sólo consideran la tensión de ruptura para ondas de impulso bajo condiciones secas y la tensión de ruptura bajo condiciones de contaminación a frecuencia de potencia, las que representan los dos extremos de mayor interés.

Grado de contaminación Rango de variación ( DESD1) ( % )

0,01 - 0,02 1,31- 32,9 0,02 - 0,04 36,12 - 53,26 0,04 - 0,06 41,66 - 56,67 0,06 - 0,08 46,30 - 60,04

> 0,08 48,41 - 62,68 Tabla 2.- Variación en la tensión de descarga de diferentes tipos de aisladores de

suspensión artificialmente contaminados en % respecto a condiciones secas. 1.4. Sobretensiones en redes eléctricas de alta tensión. En los sistemas eléctricos se pueden presentar dos tipos de sobretensiones: las de origen interno y las de origen externo. Las sobretensiones de origen interno son producto de fallas y operaciones en el sistema, y su magnitud depende de la cantidad de energía almacenada en el campo eléctrico y magnético de la línea. Las sobretensiones de origen externo son producidas por los rayos los cuales al incidir, directamente o por inducción, en una línea dan lugar a una onda viajera que se transmite a lo largo de la misma y si su magnitud es superior al nivel básico de aislamiento ante impulsos tipo rayo, NBA (BIL, de sus siglas en inglés Basic Insulation Lebel), se producirán fallas en el aislamiento con la consiguiente interrupción en el servicio. Los rayos producen las sobretensiones más peligrosas en cuanto a su magnitud en los sistemas eléctricos de hasta 275 kV, siendo por lo tanto ellas, junto a la contaminación ambiental, las que definen el nivel de aislamiento de dichos sistemas; para tensiones superiores también es necesario considerarlos, tanto por la magnitud de la sobretensión como por la razón de crecimiento de la tensión y su efecto sobre los diferentes equipos y componentes instalados en los sistemas eléctricos, principalmente sobre los enrollados de los transformadores. Desde el punto de vista de la coordinación de aislamiento las sobretensiones producidas por los rayos se consideran dentro del grupo de las de frente rápido, es decir dentro del grupo de las sobretensiones que alcanzan su máximo valor para tiempos entre 0,1 y 20 µs y que decaen al 50 % de su valor máximo en tiempos menores de 300 µs. Como se ha planteado anteriormente en la simulación de estas sobretensiones se emplea la onda de 1,2/50 µs normalizada por la IEC. Las sobretensiones que aparecen en las líneas aéreas debido a los rayos pueden ser:

a. Por la incidencia directa del rayo en los conductores. b. Por inducción. c. Por la incidencia directa del rayo en la estructura.

1 Densidad equivalente de sal depositada.


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d. Por la incidencia directa del rayo en el cable protector. El efecto de la incidencia directa de un rayo sobre un conductor cualquiera de una línea aérea, equivale a la inyección de una corriente que se propaga en ambas direcciones, tal como se indica en la Fig. 15, generando una onda de tensión que está dada por:

………………………..………………………………. 1.13 Tomando como valor promedio de la impedancia característica de una línea 400 ohm y una corriente de 20 kA, valor de corriente frecuente en los rayos, la sobretensión a que estará sometido el aislamiento, según la expresión 1.13, es de 4 MV. Según los cálculos anteriores puede verse claramente que los impactos directos provocan sobretensiones de tal magnitud que para evitar las fallas por esta causa se requiere de un nivel de aislamiento extraordinariamente altos siendo mucho más económico y técnicamente factible proteger a la línea contra los impactos directos mediante su apantallamiento

empleando cables de protección. Además, cuando una un rayo impacta una de las fases de un circuito trifásico en las otras dos fases se inducen sobretensiones de polaridad contraria, pero de tal magnitud, que pueden llegar a provocar fallas en ellas. Cuando un rayo cae cerca de una línea aérea, en ella aparece una sobretensión por inducción que es la causante de la inmensa mayoría de las interrupciones por rayos en las líneas de distribución, por el relativamente bajo nivel de aislamiento, y por que la forma de onda generalmente presenta un frente mucho más pendiente. La baja frecuencia de ocurrencia de impactos directos es debido a la relativamente baja altura de estas líneas y al apantallamiento natural que le brindan los árboles, las edificaciones y en muchas ocasiones otras líneas aéreas de mayor nivel de tensión. El mecanismo de inducción de la tensión en una línea eléctrica producto de un rayo cercano es mucho más complejo. La tensión inducida en un punto de una línea aérea producto de un rayo a tierra en su cercanía tiene dos componentes:

1. La debida a la inducción electrostática en la línea producto. 2. La debida a la inducción entre línea y tierra producto de la variación del campo magnético

producido por la corriente de la descarga principal del rayo. Cuando un rayo cae cerca de una línea aérea, en ésta aparece una sobretensión debido a las cargas inducidas en la línea por el campo eléctrico entre la tierra y la nube; el fenómeno puede explicarse sobre la base de la Fig. 16 en la cual se indica esquemáticamente una nube cargada sobre un conductor, el que está a una altura h sobre la superficie de la tierra. El conductor adquiere con respecto a la tierra un potencial dado aproximadamente por:

U = E . h ……………………………………………………………………... 1.14


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Las cargas inducidas originalmente en el conductor son +Q y -Q, pero las cargas negativas fluyen a tierra quedando el conductor cargado positivamente tal como se indica en la Fig. 16 y tan pronto como la nube descarga a tierra la carga ligada se libera en forma de onda de tensión en ambos sentidos. En las líneas trifásicas las ondas así producidas tienen la misma polaridad y aproximadamente la misma amplitud y forma. Otra fenómeno a considerar es el campo eléctrico que surge en la línea debido a la variación del campo magnético de la corriente del rayo y que resulta fundamental en cuanto a la tensión inducida, la que tienen dos componentes: una vertical y una horizontal. Los rayos adyacentes a una línea provocan tensiones inducidas debidas fundamentalmente a la componente vertical del campo eléctrico y las cercanas a un extremo de la línea provocan tensiones inducidas debidas fundamentalmente a la componente horizontal del campo eléctrico. El valor pico de las ondas de tensión que aparecen en las líneas casi nunca exceden los 400 kV por lo que ellos son capaces de producir fallas en el aislamiento de las líneas de distribución y prácticamente nunca en las líneas de transmisión. 1.5.- Protección contra las sobretensiones. Los principios en los que se basan los dispositivos de protección contra sobretensiones son básicamente dos: limitar las sobretensiones que se puedan originar y prevenir la aparición de sobretensiones. El dispositivo más empleado en la limitación de sobretensiones, tanto de origen interno (originadas por maniobras) como de origen externo (causadas por el rayo), es el pararrayos. El pararrayos más utilizado en la actualidad es el de óxidos metálicos, que se comporta como una resistencia no lineal cuyo valor es muy elevado cuando la tensión entre sus terminales es inferior a la tensión residual, pero que se reduce drásticamente cuando la tensión entre terminales tiende a superar el valor residual. Como primera aproximación se puede suponer que un pararrayos de óxidos metálicos limita la tensión a su valor residual; en realidad, el comportamiento del pararrayos es algo más complejo y la tensión que aparece entre terminales dependerá de la corriente de descarga. En realidad, el proceso transitorio que se origina es bastante complejo y la tensión que aparece por regla general en los equipos que protege el pararrayos no depende sólo de la tensión residual del pararrayos, sino que también de la pendiente del frente de onda de tensión que se traslada hacia el equipo, de la distancia de separación entre el pararrayo y el equipo y de la longitud de los cables de conexión del pararrayo a


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la línea y a tierra. Además hay que tener en cuenta que el valor de tensión soportada del equipo puede variar con el tiempo. Por tal motivo se suele aplicar un margen de seguridad y sólo se acepta que el pararrayos instalado es el adecuado si la sobretensión que aparece en el equipo es igual o inferior a la que resulta de dividir la tensión soportada de este por un coeficiente de seguridad. Otro detalle importante a tener en cuenta es que los pararrayos se instalan para limitar las sobretensiones de frente lento o de frente rápido, pero su selección se realiza teniendo en cuenta el nivel de máxima tensión en régimen permanente y la sobretensión temporal representativa; esta última sobretensión vendrá caracterizada por su valor máximo y su duración. Un pararrayos de óxidos metálicos debe ser capaz de soportar ambas solicitaciones pues, de otra forma, podría dañarse. La selección se realiza estableciendo un margen de protección que se puede definir mediante la siguiente expresión:

………………………………………………………… 1.15

siendo Usop la tensión soportada por el aislamiento y Up el nivel de protección proporcionado por el pararrayos. Lo normal es que el margen de coordinación sea distinto para cada tipo de sobretensión. Por ejemplo, en la protección de transformadores se recomiendan márgenes que van desde el 15% para protección frente a sobretensiones por maniobra hasta el 20% para protección frente a sobretensiones de origen atmosférico [3]. Protección contra sobretensiones producidas por maniobras. Las sobretensiones que se pueden originar con una maniobra dependen de varios factores: el tipo de circuito que se conecta (inductivo, capacitivo, línea con parámetros distribuidos), el circuito equivalente en el lado de la fuente, el instante en el que se realiza la maniobra, o lo que es igual, el valor de la tensión en el lado de la fuente cuando se realiza la maniobra. Las sobretensiones por maniobra se pueden limitar o evitar empleando interruptores con cierre sincronizado. Puesto que, como ya se ha mencionado, la sobretensión que se puede originar con una maniobra depende de la tensión que exista en el lado de la fuente cuando se cierra el interruptor, el valor de la sobretensión puede reducirse drásticamente, o incluso no originarse sobretensión si el cierre se sincroniza con la tensión de la fuente, y tiene lugar cuando esta tensión es nula o cercana a cero. En el caso de sobretensiones originadas por una maniobra de conexión o desconexión se pueden considerar otros medios como la preinserción de impedancias limitadoras en serie con el interruptor que realiza la maniobra. Protección contra sobretensiones producidas por rayos o descargas eléctricas atmosféricas (DEA). El objetivo básico que se plantean todos los medios de protección contra rayos es el de limitar los efectos de las altas corrientes que los acompañan, por lo que es necesario buscarle un paso de baja impedancia a tierra a fin de limitar, a valores permisibles, las sobretensiones que puedan aparecer producto de la circulación de esta corriente. El cumplimiento del objetivo antes señalado se logra de las siguientes formas:

a. Predeterminando el lugar donde debe caer, con mayores posibilidades, el rayo; esto se logra mediante el apantallamiento del objeto a proteger.

b. Situando en paralelo con los equipos a proteger dispositivos que sean capaces de limitar a valores permisibles las sobretensiones que puedan aparecer producto de la alta corriente del rayo.


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Además de lo antes señalado es necesario, para garantizar una protección adecuada contra los efectos de las altas corrientes de los rayos, que la circulación de la corriente de la descarga se efectúe a través de un paso de baja impedancia. De no cumplirse esta condición se pueden presentar fallos en el aislamiento y accidentes fatales debido a que el potencial del punto supuestamente protegido aumenta por encima de lo permisible. Un ejemplo típico se tiene cuando un rayo impacta en una estructura de una línea aérea; si se considera un rayo de 20 kA que tenga una razón de crecimiento de 10 kA/ms, que la inductancia de la estructura es de 10 mH y la resistencia de puesta a tierra es de 5 Ω la tensión que aparecerá en el extremo superior de la estructura estará dada por:

…………………………………………………………. 1.16 Si se sustituyen en la expresión 1.16 los valores antes señalados se tiene que la tensión en el extremo superior de la estructura es de 200 kV. Si se trata de un sistema de distribución de 13,8 kV, donde el nivel básico de aislamiento (NBA) ante impulsos tipo rayo de los equipos y componentes (aisladores) puede ser del orden de 110 kV, la diferencia de potencial aplicada al aislamiento de la línea es superior a lo permisible y se establecerá una descarga disruptiva entre el poste y la línea, lo que provoca una falla en el sistema. Casos similares a este se pueden presentar en cualquier tipo de instalación, en los cuales pueden ocurrir accidentes mortales, si al circular la corriente del rayo por el sistema de puesta a tierra el potencial de éste aumenta tanto que se presentan descargas (flameos) laterales o si la tensión de paso alcanza valores extremadamente altos. Los equipos que se emplean para la protección contra los rayos son:

a. Los mástiles. b. Los cables protectores. c. Los descargadores. d. Los pararrayos.

Los dos primeros basan su operación en el principio del apantallamiento y los otros dos en la limitación de la tensión que puede aparecer en un equipo producto de un rayo, por lo que se sitúan en paralelo con ellos. Por otro lado, la protección de edificios y de instalaciones generales contra las DEA se basa en el principio del apantallamiento, y se realiza por medio de pararrayos. Para ello se emplean diferentes tipos de pararrayos pero todos ellos tienen en común el establecimiento de un camino de baja impedancia que facilite el paso de la corriente y que permita, de la forma más sencilla posible, la descarga a tierra del rayo. Básicamente los pararrayos se dividen en dos tipos: los activos y los pasivos. Los productores de pararrayos activos plantean que su principio de funcionamiento trata de facilitar el camino de la descarga que sale de la tierra, dirigiéndola o provocando un camino de baja impedancia; se plantea que estos pararrayos actúan con el gradiente electrostático de la atmósfera, descargando el lugar donde se encuentran instalados, evitando que el rayo incida en ese punto, convirtiéndose en un elemento preventivo, además de facilitar que el encuentro entre las descargas positivas y negativas, provenientes de la nube y de tierra, se realice a mayor altura alejando con ello el punto de mayor temperatura durante la descarga del rayo. Los pararrayos pasivos descargan el terreno donde están instalados únicamente por el efecto punta, por lo que materialmente esperan el rayo para disiparlo a tierra, teniendo por tanto una mayor probabilidad de impacto. Cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la protección de un edificio o instalación estará formado por los siguientes elementos básicos.


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1. Un elemento receptor colocado en la parte más alta de la instalación.- puede estar constituido por puntas metálicas o conductores dispuestos de varios modos según las características y dimensiones de la instalación a proteger.

2. Conductor a tierra formado por dos o varios conductores y tiene la misión de transportar a tierra la corriente del rayo.- debe seguir el camino más corto a tierra pasando por la parte exterior y poseer la menor impedancia posible.

3. Sistema de puesta a tierra a través del cual se distribuirá la corriente del rayo. 1.6. Puestas a tierra. 1.6.1. Introducción. Un tercer medio para limitar las sobretensiones es la puesta a tierra de las instalaciones; en realidad, la puesta a tierra tiene otros objetivos fundamentales, pero en el caso de las torres o postes de las líneas aéreas, a estos objetivos se debe añadir el de limitar las sobretensiones por impacto de descargas atmosféricas en una torre o en un cable de tierra que funcione coma pantalla. Cada puesta a tierra cumple un objetivo bien definido, por lo que los mismos se pueden clasificar como:

a. Puesta a tierra para protección. b. Puesta a tierra para funcionamiento. c. Puesta a tierra para trabajo.

Puesta a tierra para protección.- Como su nombre lo indica está dada por la necesidad de conectar a potencial de tierra todas las partes metálicas de cualquier instalación que no se encuentran sometidas a tensión normalmente, pero que a causa de fallas en el aislamiento puedan llegar a tener un potencial respecto a tierra. Estas partes metálicas se refieren a las estructuras metálicas de las subestaciones o de las líneas de transmisión, el tanque de los transformadores e interruptores, la carcasa de las máquinas rotatorias, los paneles de control, etc. Puesta a tierra para funcionamiento.- Para el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos y de algunas de sus componentes es necesario, en muchas ocasiones, establecer una conexión a tierra en determinados puntos; ejemplos de este tipo de puesta a tierra son la conexión a tierra del neutro de los generadores y de los transformadores, la conexión a tierra de los pararrayos, cables protectores, etc. Puesta a tierra para trabajo.- En los trabajos de reparación y mantenimiento de muchas instalaciones es necesario conectar a tierra, temporalmente, las partes normalmente energizadas a fin de evitar accidentes debido a la reconexión indebida de la misma o a las tensiones inducidas por sistemas energizados cercanos. Dado el carácter de impulso de la corriente del rayo, y para conseguir el camino más fácil posible hacia tierra, minimizando siempre el riesgo de aparición de sobretensiones peligrosas en el interior del volumen a proteger, las instalaciones deberán interconectarse a la toma de tierra integrada mediante una conexión equipotencial, siendo más importantes la disposición y las dimensiones de los electrodos que el valor específico de su resistencia, por lo que son recomendables los siguientes criterios: a. Disposiciones de los electrodos que presenten grandes capacidades a tierra y valores de

resistencia lo más bajos posibles (<10Ω), evitándose las tomas de tierra constituidas por un único elemento de gran longitud, horizontal o vertical, siendo recomendables disposiciones, formadas por electrodos o combinaciones de electrodos, tales como:

Uno o varios conductores anulares. Conductores verticales o inclinados.


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Conductores radiales. Electrodo de tierra de la cimentación.

b. Se evitará, en lo posible, las placas o pequeñas rejillas por los problemas de la corrosión, en especial en las uniones.

c. Se emplearán electrodos de tierra profundos en aquellos casos en que la resistividad del terreno (ρ), sea baja a la profundidad que se estudie.

d. Integración de las tomas de tierra en la estructura de la instalación a proteger y en el caso de tener que estar separada, se conectará a la instalación de tierra general, mediante conexiones equipotenciales.

e. Las tomas de tierra a profundidades superiores a 20 m presentan una impedancia de onda elevada, por lo que se deben aumentar el número de electrodos horizontales y verticales.

f. Son preferibles los conductores de cobre a los de acero ya que para estos últimos la sección necesaria para obtener una conductividad equivalente haría impracticable su montaje en obra.

g. No se empleará el aluminio para formar electrodos. 1.6.2. Disposición de las tomas de tierra. Por regla general se consideran dos disposiciones básicas de los electrodos, la disposición A, formada por electrodos radiales o verticales, muy adecuada para terrenos de baja resistividad (ρ) y estructuras pequeñas, y la disposición B, formada por electrodos anulares, recomendada en roca viva. Disposición tipo A. a. Cada uno de los bajantes

de tierra, se conectará, al menos, a un electrodo de tierra distinto, constituido por un conductor radial, vertical o inclinado.

b. El número mínimo de electrodos de tierra será de dos. c. La longitud máxima, l1 , de cada electrodo será igual a:

l1, si se trata de conductores radiales horizontales. 0,5 l1 , si se trata de conductores verticales (ó inclinados). en caso de conductores combinados, tener en cuenta la longitud total.

Disposición tipo B. a. Para electrodos de tierra tipo anillo (o electrodos de tierra de cimentación), el radio medio “r” de la

superficie encerrada por el electrodo (o el electrodo de cimentación) no deberá ser inferior a l1. (r>l1).

b. Cuando el valor exigido para l1 es superior al valor apropiado del radio medio “r”, habrá que añadir conductores radiales o verticales (o inclinados) suplementarios, cuya longitudes lr (horizontal) y lv (vertical) vienen dadas por las ecuaciones:

lr = l1 – r ; lv =(l1-r)/2


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En la Tabla 3 se presenta una caracterización de los electrodos más utilizados desde el punto de vista del material con que se conforman, la forma en que se presentan y las dimensiones fundamentales. Instalación de los electrodos. La instalación de los electrodos de tierra debe hacerse de acuerdo a los siguientes criterios:

a. Los electrodos de tierra deberán instalarse fuera del espacio a proteger, a una profundidad de 0,5 m como mínimo, y distribuidos tan uniformemente como sea posible para minimizar el efecto de acoplamiento eléctrico entre los electrodos enterrados.

b. El electrodo de tierra exterior, tipo anillo, deberá estar enterrado a una profundidad de al menos 0,5 m y a una distancia de al menos 1m de los muros o paredes de la estructura.

c. Los electrodos de tierra empotrados deberán instalarse de forma que se permita su inspección durante la construcción.

d. La profundidad de enterramiento y el tipo de los electrodos deberán reducir al mínimo los efectos de la corrosión y la sequedad estabilizando, por tanto, la resistencia de tierra equivalente.

e. Los elementos constitutivos de las tomas de tierra de los pararrayos deben distar al menos 2 m de toda canalización metálica o eléctrica enterrada, siempre que estas canalizaciones no estén eléctricamente conectadas a la unión equipotencial del edificio; para terrenos con resistividad superior a 500 Ω.m la distancia mínima será de 5 m.

La distancia mínima D, en el terreno, entre los electrodos y otros conductores (que no estén conectados al sistema de protección contra rayos) se estimará por la expresión

D = b . kc0,5 ………………………………………………… 1.17 Donde : b.- parámetro relacionado con los niveles de protección kc.- parámetro que depende de la interconexión de los bajantes a nivel del suelo.

.- resistividad media del terreno


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Material Forma

Dimensiones Observaciones Pica Conductor Placa

Cobre

Cable 50 mm2 Diámetro de cada hilo 1,7 mm

Barra 50 mm2 Diámetro 8 mm Pletina 50 mm2 Espesor 2 mm Barra Diámetro 16 mm Tubo Diámetro 20 mm Placa lisa 500 mm x

500 mm Espesor 2 mm

Placa perforada 600 mm x 600 mm

Sección 25 mm x2 mm

Acero

Barra galvanizada

Diámetro 16 mm Diámetro 10 mm

Barra sin galvanizar

Diámetro 10 mm

Barra con cobre

Diámetro 14 mm Espesor capa cobre 250 micrones

Cable galvanizado

100 mm2 Diámetro de cada hilo 1,7 mm

Tubo galvanizado

Diámetro 25 mm Espesor de pared 2 mm

Placa lisa galvanizada

90 mm2 Espesor 3 mm

Placa lisa galvanizada

500 mm x 500 mm

Espesor 3 mm

Tela metálica galvanizada

600 mm x 600 mm

Sección 30 mm x 3 mm

Acero inoxidable

Barra Diámetro 16 mm Diámetro 10 mm

Placa lisa 100 mm2 Espesor 2 mm

Tabla 3.- Características de los electrodos. El valor de la resistencia de una puesta a tierra depende de muchos factores entre los cuales están:

a. La resistencia de contacto entre el aparato protegido y el conductor de tierra. b. De la impedancia del conductor y de la resistencia de contacto de su conexión al electrodo. c. De la resistencia propia del electrodo. d. De la resistencia de contacto entre el electrodo y la tierra. e. De la resistencia del sistema de electrodos.

Si se selecciona el conductor adecuado y se evitan recorridos largos y sinuosos la impedancia del conductor es despreciable. Por otro lado, las resistencias de contacto entre el conductor y el aparato protegido y entre el conductor y el electrodo son despreciables siempre que se aseguren fuertemente los contactos.


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Con la selección adecuada del electrodo su resistencia es despreciable; sin embargo, su resistencia de contacto con la tierra puede ser apreciable si su superficie está grasienta o si al hincar el mismo en la tierra este queda holgado. La resistencia del sistema de electrodos se define como la resistencia que existe entre él y otro electrodo situado a gran distancia (tierra de referencia). La resistencia del sistema de electrodos depende de sus dimensiones físicas y fundamentalmente de la resistividad del terreno. 1.6.3. Factores de que depende la resistividad del terreno. La resistividad del terreno es el factor determinante en la magnitud de la resistencia de una puesta a tierra y la misma depende del:

a. Tipo de terreno. b. Humedad del terreno. c. Salinidad del terreno. d. Temperatura del terreno. e. Granulometría del terreno. f. Compacticidad del terreno. g. Estratografía. h. Otros factores.

Tipo de terreno. - La variación de la resistividad según la composición del terreno es muy grande, tropezándose con la dificultad de que los diferentes tipos de terreno no están delimitados como para saber, de antemano, el valor de la resistividad en el punto elegido para efectuar la puesta a tierra. Sucede, incluso, que para una misma clase de terreno, situado en distintos lugares, la resistividad puede ser sensiblemente diferente. Algunos valores que pueden tomarse como referencia para diferentes tipos de terrenos se muestran en la Tabla 4.

Naturaleza del tipo de terreno Resistividad en ohm-m. Terrenos pantanosos Hasta 30 Limo 20-100 Humus 10-150 Arcilla plástica Hasta 50 Marga y arcillas compactas 100-200 Margas del jurásico 30-40 Arena arcillosa 50-500 Arena silísica 200-3000 Suelo pedregoso cubierto de césped 300-500 Suelo pedregoso desnudo 1500-3000 Calizas blandas 100-300 Calizas compactas 1000-5000 Calizas agrietadas 500-1000 Pizarras 50-300 Rocas de mica y cuarzo hasta 800 Granito gris 1500-10000 Hormigón 2000-3000 Grava 3000-5000

Tabla 4. Resistividad de algunos tipos de terrenos típicos. Humedad del terreno.- Otro factor de importancia en el valor y estabilidad de la resistencia de una puesta a tierra es la cantidad de agua contenida en el terreno y las variaciones de ésta a lo largo de las estaciones, ya que una pequeña variación en el porciento de humedad contenida puede producir una


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variación apreciable en la resistencia de la puesta a tierra; así se tiene, por ejemplo, que los resultados obtenidos para un electrodo vertical hincado en un terreno de arcilla roja muestran que el valor de la resistividad específica del terreno aumentó de 3-4 veces con una disminución de la humedad de un 10% (del 20 al 10 %); mientras que para valores mayores de un 20% no se presentó ninguna variación apreciable en su resistividad. Esta variación provoca que el valor de la resistencia de la puesta a tierra cambie en dependencia de las precipitaciones. En general se puede plantear que a medida que el grado de humedad aumenta, cuyo principal efecto es disolver las sales contenidas en el terreno, la resistencia disminuye con rapidez pero, a partir de cifras del orden del 15% en peso, esta disminución es mucho menos acusada a causa de que se alcanza prácticamente la saturación del terreno. Debido a la dependencia de la resistividad de la humedad del terreno, es necesario que las mediciones de la misma se efectúen en época de seca para así poder realizar los cálculos sobre la base de las peores condiciones. Teniendo en cuenta esta condición es que en la construcción de una instalación de puesta a tierra lo mejor es acercarla lo más posible al nivel del agua permanente a fin de minimizar los efectos de la variación de la resistividad con las estaciones. La distribución del tamaño de los granos tiene un efecto importante en la manera en que mantiene la humedad. A medida que el terreno es más compacto los valores de resistividad disminuyen. La dependencia de la resistividad de la humedad del terreno hace necesario, en muchas ocasiones, el uso de sustancias higrométricas que fijen la humedad en el terreno tales como la sal común y el carbón vegetal. El mantener sobre las tomas de tierra un pequeño terreno (aproximadamente 50 m2) cubierto de césped puede ayudar a mantener la humedad al evitar las evaporaciones. En todo tipo de terreno se presenta una capa que es la más afectada por las variaciones temporales del contenido de humedad con las lluvias y con las estaciones, por lo que su resistividad variará con el contenido de humedad. El espesor de esta capa rara vez excede los 1.8 m. Como no siempre es posible efectuar todas las mediciones de la resistividad del terreno bajo las condiciones de mínimo contenido de humedad es conveniente afectar las mediciones de ésta por el denominado factor de sequedad del terreno (Fs), que se presenta en la Tabla 5:

Para terrenos húmedos Fs=1.8 Para terrenos semihúmedos Fs=1.4 Para terrenos secos Fs=1.0

Tabla 5. Factor de sequedad del terreno. Salinidad del terreno.- La resistividad del terreno depende de su composición química lo que determina la cantidad de sales disueltas en el agua que él contiene. Una pequeña cantidad de sal disuelta puede reducir la resistividad considerablemente, lo que explica porque suelos similares, para diferentes localidades, tienen diferentes resistividades. Así se tiene que para terrenos de alta resistividad, en los cuales es necesario bajar la resistencia de una puesta a tierra, se obtienen buenos resultados si en lugar de electrodos verticales convencionales se usan tubos galvanizados horadados, los que periódicamente se llenan de una solución salina. Las sales más comunes son: la sal común, el cloruro de calcio, el sulfato de cobre, el sulfato de magnesio, etc. Granulometría.- Es un elemento importante que influye, a la vez, sobre la porosidad y el poder de retener la humedad y también sobre la calidad del contacto con los electrodos, incrementándose la resistividad con el tamaño de los granos. Esta es la razón por la que el valor de la resistividad de la grava sea superior a la de la arena y la de esta superior a la de la arcilla.


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Los suelos de granos gruesos se prestan mal al establecimiento de buenas redes de tierra, circunstancia que se puede paliar rodeando la superficie de los electrodos de un cierto espesor de tierra fina o de otro material más conductor. Compacticidad.- La resistividad se ve afectada por el grado de compacticidad del terreno disminuyendo al aumentar ésta. Por esta razón es que cuando se efectúa un movimiento de tierra, si ésta no se compacta artificialmente, la resistividad del terreno irá disminuyendo con el tiempo y no es hasta aproximadamente dos años después que no alcanza su valor estable. Estratigrafía.- La resistividad de un terreno es la correspondiente a la resultante de las diversas capas de que está constituido. Puede suceder que una sola capa presente una resistividad tan baja que la influencia de las demás sea imperceptible, tal como ocurre cuando se alcanza la zonas de humedad permanente o el manto friático. Temperatura del terreno.- La resistividad del terreno asciende a medida que desciende la temperatura y ese efecto se acentúa al alcanzarse los 0 ºC hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos lo que influye directamente en la resistividad del terreno, elevándose ostensiblemente la misma. Para valores de temperatura superiores a la temperatura de congelación el efecto es menos apreciable, aunque entre algunos grados y 25 ºC puede llegar a duplicarse. Otros factores.- Existen otros factores distintos a lo ya enumerados que son capaces de modificar apreciablemente la resistividad del terreno pero que, por su naturaleza eléctrica, sólo pueden surgir posteriormente al establecimiento de la red de tierra, tales como:

• El efecto de los gradientes de potencial elevados. • El calentamiento del suelo a consecuencia de la circulación de corrientes de puesta a tierra

elevadas o de forma prolongada. Cuando el contacto entre un electrodo y el terreno no es bueno la resistencia de puesta a tierra es alta debido a que aparecen entre ellos pequeñas capas que son prácticamente aislantes. Cuando circula una corriente a tierra, a partir de un valor determinado de ésta, hace que se alcance un gradiente de tensión en dichas capas tal que permita el desarrollo de pequeñas descargas que las cortocircuitan, por lo que bajo estas condiciones el sistema de puesta a tierra tendría valores inferiores de resistencia a los que le corresponderían antes de la aparición de las descargas. Este efecto sólo es apreciable en los sistemas de puesta a tierra de pequeñas dimensiones. Para magnitudes de corriente altas el gradiente de potencial puede llegar, en las proximidades inmediatas de los electrodos, a alcanzar valores tales que provoquen la perforación del terreno, dando lugar a la formación de uno o varios arcos que, a partir de puntos del electrodo, se propaguen a través del suelo en diversas direcciones y con eventuales ramificaciones. Prescindiendo de la caída en el arco, que sólo es apreciable en el caso de electrodos de pequeñas dimensiones, el efecto de este fenómeno es equivalente a que las dimensiones del electrodo hubieran aumentado o a que la resistividad del terreno hubiera disminuido, pero por diseño debe evitarse el establecimiento de tales descargas ya que ni en el caso de los rayos es posible aprovechase de este fenómeno ya que la velocidad de propagación de los arcos en el suelo es muy lenta comparada con la duración del frente de onda de la corriente de un rayo. Debido a la circulación de corrientes elevadas puede incrementarse la temperatura del suelo, principalmente en las cercanías del electrodo de puesta a tierra, lo que tiende a hacer que aumente la conductividad del terreno debido a la característica eléctrica negativa que caracteriza a los electrolitos. Sin embargo, si el calor generado por estas corrientes elevadas es tal que provoca que el terreno se seque presentará un aumento considerable de su resistividad.


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El efecto inicial de una circulación prolongada de la corriente por una toma de tierra es disminuir su resistencia, con una importancia que depende de la contribución al valor total de la misma de las capas de terreno próximas, pero que no es apreciable más que para las puestas a tierra de pequeñas dimensiones. Pero con el tiempo la circulación prolongada de la corriente hace que aumente la temperatura del terreno alrededor del electrodo, alcanzando ésta su máximo valor en la proximidad inmediata del electrodo. Las condiciones pueden llegar a ser críticas cuando se alcanzan temperaturas próximas a los 100 ºC y se comienza a evaporar con rapidez el agua contenida en el terreno, dejando al electrodo en contacto con una capa de terreno seca y, por tanto, de mayor resistividad con lo que la resistencia de la puesta a tierra aumenta considerablemente. Si la temperatura que se alcanza es tal que se produce la calcinación del terreno alrededor del electrodo se alcanzarán los valores mayores de resistencia de puesta a tierra, llegando éste a perder su eficacia con lo que su potencial comienza a subir, pudiendo llegar al valor de la tensión de la red, situación en extremo peligrosa. 1.6.4. Sistema de puesta a tierra en las líneas aéreas. En las líneas aéreas se pondrán a tierra:

• Las estructuras con cables protectores para todas las tensiones. • Las crucetas metálicas en todas las estructuras de hormigón o de madera, y para todas las

tensiones donde exista conductor de neutro corrido. • Los transformadores de fuerza o de medición, desconectivos u otros equipos eléctricos,

excepto los desconectivos portafusibles. Los valores de la resistencia de los sistemas de puesta a tierra de las estructuras se fijan teniendo en cuenta lo siguiente: en las líneas aéreas que operan a 34.5 kV y menores el valor máximo de la resistencia a tierra es de 20 ohm, excepto en las estructuras con desconectivos de operación manual en cuyo caso su valor no será superior a los 10 ohm. Para las líneas de 110-220 kV los valores de la resistencia de puesta a tierra dependen de la resistividad del terreno, tal y como se presentan en la Tabla 6.

Valor de la resistividad Valor máximo admisible de la en ohm -m resistencia (ohm). hasta 100 10

de 101 a 500 15 de 501 a 1000 20

de 1001 a 5000 30 Tabla 6. Niveles de puesta a tierra en líneas de 110 y 220 kV.

Otros aspectos a tener en consideración, con relación a la puesta a tierra de las líneas aéreas, son los siguientes:

1. Se conectarán a tierra todos los conductores neutros cada 500 m a partir de la subestaciones y los valores de la resistencia de puesta a tierra no serán superiores a 20 ohm.

2. La medición de la resistencia de puesta a tierra de las líneas aéreas con cables protectores se efectuará con éste desconectado y mediante cualquier método que excluya su efecto o influencia. En todos los casos se debe efectuar la medición para la condición peor, es decir en la época de seca, en caso contrario los valores medidos se deben corregir por el factor estacional.

3. En las líneas aéreas de 34.5 kV y menores los valores de la resistencia de puesta a tierra se garantizarán sin tener en cuenta la conductividad del material del cimiento de los postes o elementos soterrados de las estructuras. Para tensiones superiores se pueden usar los cimientos de hormigón como sistema de puesta a tierra natural siempre que reúnan las condiciones constructivas siguientes:


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a. El recubrimiento del acero de refuerzo de los cimientos no puede ser superior a 35 mm de espesor.

b. Se debe garantizar una adecuada continuidad eléctrica entre todos los elementos conductores mediante soldadura o con tornillos adecuados.

4. El conductor que se utilice como bajante a tierra en las estructuras de las líneas aéreas debe ser de un material que no sufra una corrosión excesiva bajo las condiciones ambientales existentes. Comúnmente se usan conductores de cobre de sección transversal de como mínimo 12 mm y de hierro o acero de sección transversal de como mínimo 20 mm.

5. Pueden utilizarse en calidad de bajante todos los elementos del encabillado y alambres longitudinales no tensados de los postes de hormigón armado cuando se garantice la adecuada continuidad eléctrica mediante soldadura o atornillado al sistema de puesta a tierra. En estos casos es importante comprobar la estabilidad térmica de dichos elementos ante las corrientes de corto circuito, la temperatura máxima admisible es de 60 ºC.

6. El diámetro mínimo de los electrodos verticales es de 16 mm y se instalarán a una distancia no menor de 0.6 m del cimiento de la estructura o del poste cuando este sea directamente enterrado.

7. Los sistemas de puesta a tierra de las líneas aéreas se instalará a una profundidad no menor de 0.5 m y en terrenos labrados no debe ser menor de 1.0 m. En caso de terrenos rocosos los electrodos horizontales de puesta a tierra se deben colocar a una profundidad no menor de 0.1 m y deben ser embebidos o cubiertos de hormigón.

8. La medición definitiva de los valores de la resistencia de puesta a tierra nunca se deben medir antes de los dos meses de instalado el sistema de puesta a tierra.

Tema 2.

La coordinación de aislamiento.

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2.1. Introducción. La coordinación de aislamiento tiene como finalidad la determinación de los niveles de aislamiento necesarios en los equipos de una instalación eléctrica, de manera que estos puedan soportar los esfuerzos eléctricos a que están sometidos, tanto en servicio normal como en presencia de las sobretensiones que puedan originarse en la red. Antes de 1920 el dimensionamiento de los aislamientos se realizaba de una forma puramente empírica, exigiendo a los materiales que soportaran una tensión a frecuencia industrial de un valor igual al producto de la tensión de servicio por un cierto coeficiente de seguridad elegido según la experiencia en instalaciones anteriores. La aparición de redes con tensión nominal superior a 100 kV exigió una mayor racionalización del problema, por lo que se introdujeron los ensayos de impulso, al comprobarse que los aislamientos no podían clasificarse únicamente por su capacidad para soportar los esfuerzos a frecuencia industrial, surgiendo el concepto de que las tensiones soportadas estuvieran de acuerdo a determinados riesgos de falla, diferentes según la importancia y costo de cada aparato y de forma que, en última instancia, el fallo de los equipos menos importantes protegiese a los de mayor responsabilidad. Este es en realidad el origen del término Coordinación de aislamiento que en la actualidad se refiere al dimensionamiento de los aislamientos de acuerdo con los materiales empleados, las características de los esfuerzos dieléctricos y de los elementos de protección utilizados contra las sobretensiones. Hoy día la posibilidad de utilizar medios técnicos más complejos que los que existían 20 años atrás permite una mejor determinación de las sobretensiones que pueden aparecer en las instalaciones, e incluso, para algunos tipos de sobretensiones, su valoración estadística. Por otro lado, es posible analizar el comportamiento de los aislamientos frente a través de ensayos de laboratorio que simulan las sobretensiones mediante formas de onda normalizadas internacionalmente. Todo esto posibilita, a partir de las experiencias y la normalización de muchos aspectos relacionados con la coordinación de aislamiento, evaluar de forma estadística el problema dirigido en lo fundamental, al riesgo de falla de cada equipo y a la obtención de la tasa de falla de las instalaciones involucradas en el estudio. La práctica actual en la coordinación de aislamiento establece dos métodos para la determinación del nivel de aislamiento: el método estadístico y el método convencional (conocido también como método determinístico). El uso de uno u otro depende de que sean o no conocidas las distribuciones estadísticas de las sobretensiones soportadas por los materiales y de las sobretensiones que son posibles se presenten en la instalación. Sin embargo, los procedimientos que se aplican son mezcla de ambos métodos: por ejemplo, algunos factores utilizados en el método determinista se obtienen de consideraciones estadísticas. Las sobretensiones que se originan en una red eléctrica de alta tensión, fundamentalmente las causadas por maniobras y por descargas atmosféricas, tienen carácter estadístico, y se suelen caracterizar mediante una función de densidad probabilística. También el comportamiento del aislamiento bajo solicitaciones normalizadas tiene carácter aleatorio y se puede caracterizar mediante una distribución estadística normal o gaussiana, aunque en este caso es normal que se utilice la función de distribución acumulada, es decir la probabilidad de que el aislamiento falle cuando el valor de cresta (o pico) de la onda de tensión normalizada que se aplica supera un determinado valor. Se suele emplear esta forma de caracterizar el aislamiento cuando este es autorregenerable o autorrecuperable, mientras que para aislamiento no autorregenerable o no autorrecuperablese suele suponerse un único valor frontera, que separa la zona de fallo de la zona de no fallo. El método de coordinación estadístico se puede aplicar cuando es posible obtener la función de densidad de probabilidad de las sobretensiones representativas, que serían empleadas en la selección del aislamiento. A partir de la distribución estadística de las sobretensiones y de la función de probabilidad de fallo del aislamiento, es posible obtener el riesgo o frecuencia de fallo de un equipo frente a un determinado tipo de esfuerzo dieléctrico. Esto permite seleccionar y dimensionar el aislamiento de forma que la frecuencia de fallo se halle dentro de límites aceptables.

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Supóngase que la probabilidad de que se origine una sobretensión con valor comprendido entre u y (u+du) es fs(u)du, y la probabilidad de que ese aislamiento falle con esta sobretensión es Fa(u), la probabilidad de fallo para esta sobretensión se puede obtener mediante la expresión:

……………………………………………………….. 2.1

De aquí se deduce que el riesgo de fallo total del aislamiento frente a este tipo de sobretensiones será: ………………………………………………………. 2.2

La Figura 2.1 muestra gráficamente el cálculo del riesgo de fallo. En la práctica, tal y como se puede ver en la figura, el cálculo de la integral se realiza entre dos limites diferentes a los de la expresión (2.1), ya que no se puede esperar fallo sin haber aplicado una tensión ni tampoco se puede esperar una sobretensión de valor infinito. Así mismo, si se traslada la curva de soportabilidad del aislamiento, Fa(u), hacia la derecha o hacia la izquierda, puede observarse que el riesgo de fallo puede aumentarse o disminuirse, que en la práctica corresponde a una disminución o aumento de la tensión que puede soportar el aislamiento y que anteriormente se ha identificado como U50.

El aislamiento no autorrecuperable, el cual se caracteriza por un único valor de tensión de soporte constituye un caso particular, lo cual puede observarse en la Fig. 20.

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En este caso la integral para evaluar el riesgo de falla se plantea entre los límites de la tensión de soporte, Us y la sobretensión mínima posible que puede soportar el aislamiento sin fallar, Umax.

……………………………………………….. 2.3

Al aplicar el método determinista, también conocido coma convencional, y donde no es posible conocer la distribución estadística de las sobretensiones, la selección del aislamiento se puede realizar

de forma que este soporte la máxima sobretensión representativa que se puede originar. En la práctica, se suele también diferenciar para los casos del aislamiento autorrecuperable o no; en el primer caso, el cual es el que más se observa en la práctica, se suele utilizar como parámetro de diseño el valor del U10 , es decir el valor de la tensión de soporte con una probabilidad de fallo del 10%. 2.2. Procedimiento general. El diagrama de la Figura 21 muestra un resumen de los pasos a realizar en el procedimiento de coordinación del aislamiento que se propone en la IEC 60071-2 [4]. De este procedimiento se pueden comentar los siguientes aspectos: 1. El primer paso a realizar es la

estimación de la tensión representativa en los equipos o en la instalación a diseñar, teniendo en cuenta los niveles de protección proporcionados por los dispositivos de

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protección instalados y el valor máximo de la tensión de operación: a. Para instalaciones de Nivel I (1 kV ≤ Umax ≤ 245 kV) se analizan las sobretensiones

temporales y las de origen atmosférico, b. para instalaciones de Nivel II (245 kV < Umax) se analizan las sobretensiones de frente lento y

las de origen atmosférico. 2. Se determina la tensión de soporte de coordinación, que es la tensión de soporte que cumple los

criterios de diseño en las condiciones de servicio en que funcionarán los equipos o la instalación. La selección de la tensión de soporte de coordinación se fundamenta en la tasa de riesgo aceptada y su cálculo se realiza multiplicando la tensión representativa por el factor de coordinación Kc, cuyo valor depende del tipo de aislamiento (autorregenerable, no autorregenerable) y del método de coordinación de aislamiento (determinista o estadístico) que es posible aplicar.

3. La tensión de soporte de coordinación se convierte en la tensión de soporte especificada o requerida, que es la tensión normalizada de ensayo que el aislamiento debe soportar para asegurar que cumplirá con el criterio de diseño. La tensión de soporte especificada se obtiene multiplicando la tensión de soporte de coordinación por un factor de seguridad (Ks), que compensa las diferencias entre las condiciones reales de servicio y las de ensayo a tensiones soportadas normalizadas. En el caso de aislamiento externo también se aplicará un factor de corrección atmosférico (Ka), que tenga en cuenta las diferencias entre las condiciones ambientales de servicio y las normalizadas.

4. Se selecciona el conjunto de tensiones de soporte normalizadas que satisfacen las tensiones de soporte especificadas. La tensión de soporte normalizada es la tensión aplicada en un ensayo de tensión normalizado, y su selección permite justificar que el aislamiento aguantará las tensiones de soporte especificadas que fueron estimadas en el paso anterior. La tensión de soporte normalizada puede elegirse para la misma forma de onda normalizada que la tensión soportada especificada (continua, tipo maniobra, tipo rayo) o para una forma de onda distinta mediante la aplicación del factor de conversión de ensayo Kt.

5. Finalmente se selecciona el nivel de aislamiento normalizado, es decir, el nivel de aislamiento asignado cuyas tensiones soportadas normalizadas están asociadas a la tensión de operación más elevada según la clasificación de la IEC [2].

2.3. Ejemplos de objetivos de estudios de coordinación del aislamiento eléctrico. Los objetivos de un estudio de coordinación de aislamiento serán distintos dependiendo del equipo a estudiar, del tipo de aislamiento a seleccionar y de las sobretensiones que influirán en esta selección.

1. Líneas aéreas.- la coordinación de aislamiento de una línea de transporte de energía eléctrica debe buscar los siguientes objetivos: a. Diseñar el apantallamiento (número y ubicación de los cables de tierra) adecuado frente a

las descargas atmosféricas de forma tal que minimice el número de contorneos por fallo del apantallamiento.

b. Diseñar una puesta a tierra efectiva que minimice la tasa de contorneos por cebado inverso.

c. Seleccionar las dimensiones de las cadenas de aisladores para soportar las sobretensiones que se puedan originar por maniobras y por descargas atmosféricas.

d. Dimensionar las distancias en el aire entre conductores, entre conductores y tierra, y entre conductores y apoyos.

e. Decidir si será necesario instalar pararrayos, y en caso afirmativo, determinar su ubicación y sus valores nominales.

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El diseño de las pantallas y de la puesta a tierra estará en correspondencia con las sobretensiones provocadas por los rayos, mientras que el nivel de aislamiento a seleccionar depende de las sobretensiones por maniobra y las causadas por el rayo. El nivel de contaminación en la región donde se ubicará el equipo o la instalación es el primer elemento a tener en cuenta para la selección de los aisladores. Finalmente, la instalación de los pararrayos dependerá de las sobretensiones por maniobra y por descargas atmosféricas así como de la puesta a tierra que se pueda lograr a partir del tipo de terreno en el que se instala la línea. La selección de los valores nominales de los pararrayos dependerá de la máxima tensión permanente a frecuencia industrial y de las sobretensiones temporales que se puedan originar en la línea. El contorneo de una línea aérea puede ser originado por sobretensiones de maniobra o de origen atmosférico; como criterios de diseño se fijan el número de contorneos causados por las DEA por km y durante un año, así como promedio de operaciones de maniobra que se han de realizar para obtener un contorneo.

2. Subestaciones.- el estudio de coordinación de una subestación en general es más complejo debido al número y al tipo de componentes que es necesario considerar. En general, los objetivos del estudio de coordinación de aislamiento en una subestación, independiente del nivel de tensión de trabajo (I o II) son los siguientes: a. Seleccionar el nivel de aislamiento normalizado para todos los equipos de la subestación. b. Diseñar las pantallas (tipo, número, localización) que han de proteger los equipos frente a

las DEA. c. Determinar las distancias en el aire, básicamente distancias entre fase y tierra, y entre

fases. d. Decidir si será necesario instalar pararrayos, y en caso afirmativo determinar su ubicación

y sus valores nominales. e. Decidir si será necesario instalar otros dispositivos de protección.

Como en las líneas aéreas, el diseño de las pantallas estará definido por las sobretensiones causadas por los rayos, mientras que el nivel de aislamiento a seleccionar dependerá de las sobretensiones por maniobra y las causadas por el rayo; igualmente será necesario tener en cuenta el nivel de contaminación en la selección de los aisladores. Tanto el número como la ubicación de los pararrayos dependerán de las sobretensiones originadas por las DEA, mientras que la selección de sus valores nominales dependerá de la máxima tensión a frecuencia industrial y de las sobretensiones temporales que se puedan originar en la subestación. Las averías de los equipos de una subestación pueden ser provocadas, como en el caso de las líneas aéreas, por sobretensiones de maniobra y de origen atmosférico aunque en una subestación también pueden ser debidas a ciertas sobretensiones temporales como las originadas por una ferrorresonancia. El efecto de una avería en una subestación puede ser mucho más importante que en una línea aérea. Como criterio de diseño se suele utilizar el Tiempo Medio entre Fallos (que corresponde a las siglas en inglés MTBF, Mean Time Between Failurse). El valor del MTBF depender de la tecnología empleada: para subestaciones blindadas de SF6, (también conocidas como GIS, Gas Insulated Substations) se suele escoger un MTBF comprendido entre 300 y 1000 años, mientras que en subestaciones con aislamiento externo el valor del MTBF estará entre 100 y 400 años.

2.4. Sobretensiones en redes eléctricas de alta tensión. El cálculo o estimación de las sobretensiones a las que puede ser sometido cualquier equipo es de vital importancia en el diseño de redes eléctricas ya que son estos esfuerzos los que servirán para

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seleccionar el nivel de aislamiento y las protecciones de los equipos. Un estudio completo de sobretensiones debe tener coma objetivos:

a. Establecer el origen y el tipo de sobretensiones que es necesario determinar para una selección adecuada del aislamiento y de los medios de protección.

b. Determinar la distribución estadística de aquellas sobretensiones que serán empleadas en la selección del aislamiento.

Clasificación y características de las sobretensiones. La primera clasificación de las sobretensiones se basa en el origen, ya que la causa puede ser interna o externa a la red. Las sobretensiones de origen externo, debidas a causas ajenas al sistema, son originadas principalmente por el impacto de un rayo y son conocidas también como sobretensiones atmosféricas. Las sobretensiones de origen interno son causadas en el propio sistema, y se dividen a su vez en sobretensiones temporales y de maniobra. Estas últimas son causadas por operaciones de cierre y apertura de interruptores o seccionadores, lo que en general provoca un proceso transitorio que puede terminar originando no solo sobretensiones sino también sobreintensidades. Otra clasificación de las sobretensiones se basa en las principales características con las que se presenta el proceso transitorio: valor de cresta o pico, duración y frecuencia (o gama de frecuencias) en el proceso transitorio si este es oscilatorio, o el tiempo al valor de cresta si el proceso transitorio es unidireccional. De acuerdo con esto se pueden distinguir las siguientes categorías:

a. Sobretensiones temporales.- son de larga duración (desde varios milisegundos a varios segundos), y de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación.

b. Sobretensiones de frente lento.- son generalmente originadas por maniobras; tienen una corta duración (pocos milisegundos) y se presentan con una gama de frecuencias que varía entre 2 y 20 kHz.

c. Sobretensiones de frente rápido.- son generalmente causadas por rayo; son de duración muy corta y de amplitud muy superior a la tensión pico nominal.

d. Sobretensiones de frente muy rápido.- se originan generalmente por fallas y maniobras en subestaciones de SF6 y su duración es de pocos microsegundos y su frecuencia es generalmente superior a 1 MHz.

La Fig. 22 muestra una relación entre el tipo de sobretensiones (se excluyen las de frente muy rápido), la duración y el orden de magnitud que puede alcanzar el valor pico.

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Aunque las causas de las sobretensiones son muchas, así como los parámetros y variables que intervienen en cada categoría, es posible distinguir unos pocos parámetros cuya influencia es decisiva en la mayoría de casos:

1. Valor pico o de cresta.- además de la tensión nominal de la red, que siempre será una referencia, el valor máximo de una sobretensión dependerá de ciertos factores según sea la causa u origen: a. En sobretensiones temporales y de frente lento originadas por una falla o una maniobra

influirá el instante en el que se inicia el proceso transitorio, la carga atrapada en el lado del consumidor en caso de una maniobra, el amortiguamiento que introducen los distintos equipos de la red, y en algunos cases (maniobras de líneas y cables en vacio) los coeficientes de reflexión.

b. En sobretensiones de frente rápido o muy rápido originadas por una maniobra, además de las causas mencionadas anteriormente, habrá que añadir las impedancias características de los componentes que intervienen en el proceso transitorio.

c. En sobretensiones de frente rápido o muy rápido provocadas por una DEA influirán las impedancias características de líneas, cables y otros equipos, los coeficientes de reflexión en puntos cercanos al punto de impacto y el instante de impacto de la descarga.

2. Frecuencia de las oscilaciones.- las frecuencias que aparecerán en sobretensiones oscilatorias serán debidas a la frecuencia de las fuentes que alimentan la red, las frecuencias naturales que pueden originarse entre los distintos equipos o la longitud de líneas, cables o conductos para los cuales el modelo matemático incluya una representación con parámetros distribuidos. La frecuencia natural de un circuito es el resultado de intercambio de energía entre el campo eléctrico y el campo magnético, y depende de los valores de sus parámetros no disipativos (L y C):

………………………………………………….……. 2.4

En el caso de una línea o cable, la frecuencia de las oscilaciones originadas por reflexiones de ondas entre sus extremos vendrá dada por la siguiente expresión:

……………………………………………………………… 2.5

siendo el tiempo de propagación en la línea, cable o conducto. Si la sobretensión es unidireccional (no oscilatoria) y originada por un rayo, el tiempo al pico o cresta dependerá fundamentalmente de1 tiempo a la cresta de la DEA y será del orden de microsegundos.

3. Duración.- la duración de una sobretensión depende fundamentalmente de dos factores: la causa y el amortiguamiento que introducen los equipos de la red.

La norma IEC 60071-1 [3] establece la clasificación de sobretensiones de acuerdo con una forma de onda y una duración normalizadas. La Tabla 7 presenta un resumen de las características más importantes de cada tipo de sobretensión.

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Se puede observar que, de forma general, están divididas en dos grandes grupos:

1. Sobretensión de baja frecuencia.- es de larga duración y se origina con una frecuencia igual o próxima a la de operación. Este tipo de sobretensiones se divide a su vez en: a. Tensión a frecuencia industrial.- tensión a frecuencia de operación de la red, con un valor

eficaz constante y aplicada permanentemente. b. Sobretensión temporal.- sobretensión de frecuencia industrial y duración relativamente

larga. Una sobretensión de este tipo puede ser amortiguada o débilmente amortiguada. Dependiendo de la causa su frecuencia puede ser distinta o igual a la frecuencia de operación de la red.

2. Sobretensión transitoria.- es de corta duración (algunos milisegundos), oscilatoria unidireccional, y generalmente muy amortiguada. Una sobretensión transitoria puede estar seguida por una sobretensión temporal; en tal caso ambas sobretensiones se analizan como sucesos separados. Las sobretensiones transitorias se dividen a su vez en: a. Sobretensiones de frente lento.- generalmente oscilatoria, con un tiempo de subida hasta

el valor de cresta, T1, comprendido entre 20 y 5 000 µs y con un tiempo de cola, T2, igual o inferior a 20 ms.

b. Sobretensión de frente rápido.- generalmente unidireccional, con un tiempo de subida hasta el valor de cresta comprendido entre 0.1 y 20 µs, y con un tiempo de cola igual o inferior a 300 µs.

c. Sobretensión de frente muy rápido.- generalmente oscilatoria, con un tiempo de subida hasta el valor de cresta inferior a 0,1 µs, una duración total inferior a 3 ms, y con oscilaciones superpuestas de frecuencias comprendidas entre 30 kHz y 100 MHz.

Sobretensiones normalizadas para ensayo. Con el objetivo de verificar en el laboratorio el comportamiento del aislamiento frente a los diferentes tipos de sobretensiones, se han establecido unas formas de ondas normalizadas, que se definen de forma detallada en la IEC 60071-1 [2] y se muestran como parte de la Tabla 7.

a. Tensión normalizada de corta duración a frecuencia industrial.- es una tensión sinusoidal, de frecuencia comprendida entre 48 y 62 Hz y una duración igual a 60 segundos.

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b. Impulso de tensión tipo maniobra normalizado.- es un impulso de tensión con un tiempo de subida hasta el valor pico de 250 µs y un tiempo de cola de 2 500 µs.

c. Impulso de tensión tipo rayo normalizado.- es un impulso de tensión con un tiempo de subida hasta el valor de cresta de I,2 µs y un tiempo de cola de 50 µs.

d. Impulso de tensión tipo maniobra combinado normalizado.- es un impulso de tensión combinado que tiene dos componentes del mismo valor pico y polaridad opuesta; la componente positiva es un impulso de maniobra normalizado, mientras que la componente negativa es un impulso de maniobra cuyos tiempos de subida y de cola no deben ser inferiores a los del impulso positivo. Ambos impulsos deben alcanzar el valor pico en el mismo instante. El valor pico de la tensión combinada es la suma de los valores picos de ambas componentes

Por último, para establecer una relación entre las sobretensiones reales y las formas de onda normalizadas se definen las sobretensiones representativas. Se trata de aquellas sobretensiones que se supone producen el mismo efecto sobre el aislamiento que las sobretensiones de una determinada clase que aparecen en servicio, tienen la forma de onda normalizada de la clase correspondiente y pueden ser definidas por un valor, un conjunto de valores o una distribución estadística de valores. Este concepto se aplica también a la tensión a frecuencia industrial. El cálculo de las sobretensiones representativas en una red eléctrica es un paso fundamental en cualquier estudio de coordinación de aislamiento. Aunque las redes funcionan en régimen permanente o cuasipermanente la mayor parte del tiempo, son los esfuerzos originados durante los procesos transitorios los que servirán para seleccionar el nivel de aislamiento normalizado de los equipos; el primer paso en un procedimiento de coordinación de aislamiento es la estimación de las tensiones o sobretensiones representativas. 2.4.1. Tensiones y sobretensiones representativas de baja frecuencia [4].

a. Tensiones permanentes (a frecuencia industrial).- Bajo condiciones normales de explotación, la tensión a frecuencia industrial puede ser susceptible de variar algo en magnitud y diferir de un punto del sistema a otro. Con propósitos de diseño y coordinación de aislamiento, la tensión representativa a frecuencia industrial será considerada como constante e igual a la tensión más alta del sistema. En la práctica, hasta 72,5 kV, la tensión más alta del sistema Us debe ser bastante menor que la tensión más elevada para el material Um, pero a medida que la tensión aumenta, ambos valores tienden a ser iguales.

b. Sobretensiones temporales.- Las sobretensiones temporales se caracterizan por sus amplitudes, su forma de tensión y su duración. Todos los parámetros dependen del origen de las sobretensiones y las amplitudes y las formas de onda pueden incluso variar durante la duración de la sobretensión. Para propósitos de coordinación de aislamiento, se considera que la sobretensión temporal representativa tiene la forma de onda de la tensión de corta duración normalizada a frecuencia industrial (1 minuto). Su amplitud se define por un valor (el máximo previsto), un conjunto de valores de cresta, o una distribución estadística completa de valores de cresta. Para elegir la amplitud de la sobretensión temporal representativa se deberá tener en cuenta: i. La amplitud y duración de la actual sobretensión en servicio. ii. La amplitud/duración de la característica de soportabilidad a frecuencia industrial del

aislamiento considerado. Si esta última característica es desconocida, para simplificar, la amplitud se puede tomar igual a la máxima sobretensión que se puede producir en un intervalo menor a 1 minuto durante el servicio, y la duración se puede tomar como 1 minuto.

Las sobretensiones temporales pueden ser producidas por diferentes causas, entre las que se destacan:

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1. Fallas a tierra. 2. Pérdida de carga. 3. Resonancia y ferroresonancia. 4. Proceso de sincronización. 5. Combinación de las causas anteriores.

Sobretensiones temporales debidas a fallas a tierra.- Una falla fase-tierra puede dar lugar a sobretensiones fase-tierra que afecten a las otras dos fases. Normalmente no se producen sobretensiones temporales entre fases o a través del aislamiento longitudinal. La forma de la sobretensión es la de una tensión a frecuencia industrial. Las amplitudes de la sobretensión dependen de la puesta a tierra del neutro y de la localización de la falla. La duración de la sobretensión corresponde a la duración de la falta (hasta su eliminación). En sistemas con el neutro puesto a tierra es normalmente menor de 1 segundo. En sistemas con neutro puesto a tierra a través de bobinas de compensación el despeje de la falta es en general menor de 10 s. En sistemas sin eliminación de defectos la duración puede ser de varias horas. Sobretensiones temporales debidas a pérdida de carga.- Las sobretensiones temporales fase-tierra o longitudinales debidas a las pérdidas de carga dependen de la carga desconectada, de la configuración de la red después de la desconexión y de las características de las fuentes de energía (potencia de cortocircuito de la subestación, velocidad y regulación de tensión de los generadores, etc). Sobretensiones temporales debida a resonancia y ferroresonancia.- Se producen sobretensiones temporales debidas a estas causas cuando se conectan o hay pérdidas de carga en circuitos que incorporan elementos de gran capacidad (líneas, cables, líneas compensadas en serie) o elementos inductivos (transformadores, bobinas de reactancia shunt) que tienen características de magnetización no lineales. Las sobretensiones temporales debido al fenómeno de resonancia pueden alcanzar valores extremadamente altos. Sobretensiones temporales longitudinales durante la sincronización.- Las sobretensiones temporales longitudinales representativas se deducen de la sobretensión prevista en servicio que tiene una amplitud igual a dos veces la tensión de servicio fase-tierra y una duración desde varios segundos a algunos minutos. Además cuando las operaciones de sincronización son frecuentes, se debe considerar la probabilidad de que ocurra una falla a tierra y como consecuencia una sobretensión. En tales casos, las amplitudes de las sobretensiones representativas son la suma de la máxima sobretensión fase-tierra prevista en un terminal y la tensión permanente de servicio, en oposición de fase, en el otro.

2.4.2.- Sobretensiones representativas transitorias. a. Sobretensiones de frente lento.- Las sobretensiones de frente lento, tienen duraciones del

frente de algunas decenas a algunos miles de microsegundos y duraciones de la cola del mismo orden de magnitud, y son de naturaleza oscilatoria. Generalmente se producen por:

i. Energización de líneas y su recierre. ii. Fallas y su eliminación. iii. Pérdidas de carga. iv. Maniobra de corrientes capacitivas o inductivas. v. Descargas de rayos distantes a los conductores de líneas aéreas.

La forma de onda de la tensión representativa es el impulso tipo maniobra normalizado (alcanza el valor pico a los 250 µs y alcanza la mitad del valor pico a los 2 500 µs). La amplitud representativa es la amplitud de la sobretensión, considerada independientemente de su tiempo hasta el valor pico real.

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Sobretensiones de frente lento debidas a la conexión y recierre de línea.- Una conexión o recierre de una línea trifásica produce sobretensiones de maniobra sobre las tres fases de la línea. Por lo tanto, cada maniobra produce tres sobretensiones fase-tierra y las tres sobretensiones correspondientes fase-fase. Las amplitudes de las sobretensiones debidas a la conexión de la línea dependen de numerosos factores incluyendo el tipo de interruptor automático (con resistencia de preinserción o sin ella), naturaleza y potencia de cortocircuito de las barras a partir de las cuales la línea es conectada, la naturaleza del medio de compensación utilizado y la longitud de la línea de conexión, situación del fin de línea (abierta, transformador, pararrayos), etc. Los recierres trifásicos pueden generar altas sobretensiones de frente lento debido a las cargas atrapadas en la línea recerrada. Al mismo tiempo que el recierre, la amplitud de la sobretensión remanente sobre la línea (debido a la carga atrapada) puede ser tan alta como el valor pico de la sobretensión temporal. La descarga de esta carga atrapada depende de los restantes equipos conectados a la línea, de la conductividad superficial de los aisladores, o de las condiciones de efecto corona sobre los conductores, y del instante de recierre. Estas sobretensiones pueden ser fase-tierra, fase-fase y/o longitudinales. Las sobretensiones longitudinales que se producen entre terminales durante la conexión o el recierre se componen de la tensión de servicio permanente en uno de os terminales de la línea y la sobretensión de maniobra en el otro. En los sistemas sincronizados, el mayor valor de cresta de la sobretensión de maniobra y la tensión de servicio tienen la misma polaridad, y el aislamiento longitudinal soporta una menor sobretensión que el aislamiento fase-tierra, pero en el caso de sistemas asíncronos puede estar sometido a sobretensiones de conexión en un terminal y el valor cresta de la tensión nominal de servicio, de polaridad opuesta, en el otro, lo que hace que se someta a un esfuerzo mayor. Sobretensiones de frente lento a causa de faltas y su eliminación.- Las sobretensiones de frente lento se generan al iniciarse una falla y durante su eliminación, a consecuencia del cambio de tensión desde su valor de servicio al valor de la sobretensión temporal, en las fases sanas y por el retorno desde un valor próximo a cero a la tensión de servicio de la fase con defecto. Ambas causas producen únicamente sobretensiones fase-tierra, mientras que las sobretensiones entre fases pueden ser despreciadas. Una estimación conservadora de los valores máximos previstos de la sobretensión representativa Uet es como sigue:

i. Al inicio de la falla: ……………. 2.6

ii. Al momento de limpiarse la falla: …… 2.7 donde k es el factor de falla a tierra. En el Nivel I de tensiones, se deberán considerar las sobretensiones causada por fallas a tierra en sistemas con neutro aislado o resonante en los que el factor de falla a tierra es aproximadamente igual a 3. En estos sistemas, la coordinación del aislamiento puede basarse en las sobretensiones máximas previstas y la probabilidad de sus amplitudes no necesita considerarse. En el Nivel II de tensiones, cuando las sobretensiones debidas a la conexión o recierre de la línea están limitadas a valores inferiores a 2 p.u., las sobretensiones a causa de fallas y eliminación de las mismas requieren un examen cuidadoso si no están limitadas en el mismo grado.

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Sobretensiones de frente lento debidas a la pérdida de carga.- Las sobretensiones de frente lento debidas a la pérdida de carga tienen importancia únicamente en sistemas de los Niveles II de tensión (mayor a 245 kV), en los que las sobretensiones de conexión y recierre se limitan a valores por debajo de 2 p.u. En estos casos, necesitan ser examinadas, especialmente si hay involucrados transformadores a la salida del generador o largas líneas de transporte. Sobretensiones de frente lento debidas a la maniobra de corrientes inductivas y capacitivas.- La maniobra de corrientes inductivas o capacitivas puede dar lugar a sobretensiones, que pueden requerir atención. En lo particular, las maniobras que deben tomarse en consideración son las siguientes: i. Interrupción de corrientes de arranque de motores. ii. Interrupción de corrientes inductivas, por ejemplo cuando se interrumpe la corriente de

magnetización de un transformador o cuando se desconecta una reactancia shunt. iii. Maniobra y funcionamiento de hornos de arco y sus transformadores, que puede dar

lugar a arranque de corriente. iv. Maniobra de cables en vacío y de baterías de condensadores. v. Interrupción de corrientes por fusibles de alta tensión.

El recebado de interruptores automáticos, que ocurre durante la interrupción de corrientes capacitivas (desconexión de líneas en vacío, cables o baterías de condensadores) puede generar sobretensiones particularmente peligrosas; por tal razón, se sugiere emplear interruptores automáticos libres de recebados. Además, si se energizan baterías de condensadores, en particular si son con neutro aislado, debe tomarse la precaución de comprobar las sobretensiones fase-fase. Sobretensiones tipo rayo de frente lento.- En sistemas con líneas largas (mayores de 100 km), las sobretensiones tipo rayo de frente lento se originan a causa de caídas de rayo distantes, en los conductores de fase, cuando la corriente de rayo es suficientemente baja para no producir un contorneamiento en aisladores de línea y cuando la descarga del rayo ocurre a una distancia suficiente lejana al lugar considerado, para producir el frente lento. Puesto que las corrientes de rayo tienen tiempos de hasta el semivalor pico, que raramente exceden de 200 ms, no se presentan sobretensiones de gran amplitud y tiempo hasta el valor pico, las cuelas son críticas para el aislamiento; por tal razón las sobretensiones tipo rayo de frente lento son de menor importancia en la coordinación de aislamiento y normalmente se desprecian.

b. Sobretensiones de frente rápido.- Estas sobretensiones son de las que mayor importancia tienen para la coordinación de aislamiento por sus efectos y su gran presencia en muchos lugares dado que las mismas son causadas por los rayos Sobretensiones de frente rápido tipo rayo que afectan a líneas aéreas. Las sobretensiones de rayo están causadas por descargas directas a los conductores de fase o por cebados inversos o están inducidas por descargas de rayo cercanas a la línea. Las ondas de rayo inducidas, generalmente producen sobretensiones inferiores a 400 kV en la línea aérea y son, por tanto solamente importantes en sistemas de tensión del Nivel I. Debido a la elevada soportabilidad del aislamiento, los cebados inversos son menos probables en los Niveles II de tensión que en los Niveles I y son raros en sistemas de 500 kV y superiores. La forma de la sobretensión representativa de este tipo es el impulso tipo rayo normalizado (1,2/50 µs.); la amplitud representativa está dada ya sea como un máximo previsto o por una distribución de probabilidad de valores pico usualmente dada como el valor pico dependiente de la tasa de retorno de las sobretensiones. Sobretensiones de frente rápido de rayo que afectan a subestaciones.- Las sobretensiones de rayo en subestaciones y sus niveles de ocurrencia dependen de:

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i. El comportamiento frente al rayo de las líneas aéreas conectadas a ellas ii. La configuración de la subestación, tamaño y en particular, el número de líneas

conectadas a ella. iii. El valor instantáneo de la tensión de servicio (en el momento de la descarga). La severidad de las sobretensiones de las DEA en los equipos de las subestaciones se determina a partir de la combinación de estos tres factores y se necesitan varias etapas para asegurar la protección adecuada. Las amplitudes de las sobretensiones (sin limitación por pararrayos), son usualmente demasiado elevadas para basar la coordinación de aislamiento en estos valores. En algunos casos, sin embargo, en particular en subestaciones conectadas con cables, la autoprotección que proporciona la baja impedancia de onda característica de los cables, puede reducir la amplitud de sobretensiones por rayo a valores adecuados. Sobretensiones de frente rápido debidas a maniobras y defectos.- Las sobretensiones de maniobra de frente rápido, ocurren cuando los equipos están conectados o desconectados de la red por medio de conexiones cortas, principalmente dentro de subestaciones. Las sobretensiones de frente rápido pueden también ocurrir cuando el aislamiento externo se ceba; tales sucesos pueden producir particularmente esfuerzos severos en los aislamientos internos próximos (tales como enrrollados). Aunque, en general, estas sobretensiones son oscilatorias para el propósito de la coordinación del aislamiento la forma de la sobretensión representativa puede considerarse que corresponde a impulso tipo rayo normalizado (1,2/50 µs.) Los valores de cresta máximos de la sobretensión, dependen del tipo y características del equipo de maniobra. Puesto que los valores pico de la sobretensión son usualmente menores que los causados por rayo, su importancia queda restringida a casos especiales. Por lo tanto, está técnicamente justificado caracterizar la amplitud de la sobretensión representativa debido a maniobras y fallas por los valores máximos siguientes:

i. Maniobra de interruptor automático sin recebados: 2 p.u. ii. Maniobra de interruptor automático con recebados: 3 p.u. iii. Maniobra de seccionador: 3 p.u.

En las Tablas de la 8 a la 10 se muestra un resumen de lo que se mencionado anteriormente.

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Tema 3.

Métodos de protección.

Tema 3. Métodos de protección. Enero 2010

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3.1. Introducción. La protección contra las DEA de edificios y de instalaciones en general se basa en el principio del apantallamiento y se realiza por medio de pararrayos; se emplean diferentes tipos de pararrayos con este fin pero todos ellos tienen en común el establecimiento de un camino de baja impedancia que facilite el paso de la corriente y que permita, de la forma más sencilla posible, la descarga a tierra del rayo. Anteriormente se mencionó que en la literatura internacional se mencionan dos tipos de pararrayos: los activos y los pasivos. También se planteó que cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la protección de un edificio o instalación estará formado por los siguientes elementos básicos. 1. Un elemento receptor colocado en la parte más alta de la instalación, el cual puede estar

constituido por puntas metálicas o conductores dispuestos de varios modos según las características y dimensiones de la instalación a proteger.

2. Un conductor a tierra que puede estar formado por dos o varios conductores y tiene la misión de transportar a tierra la corriente del rayo; esta debe seguir el camino más corto a tierra pasando por la parte exterior y poseer la menor impedancia posible.

3. Un sistema de puesta a tierra a través del cual se distribuirá la corriente del rayo. 3.2.- Pararrayos pasivos. Como se planteo anteriormente los pararrayos pasivos son los que no descargan el terreno donde están situados y entre ellos los más significativos están:

a. El pararrayos de Franklin. b. Los pararrayos de jaula. c. El pararrayos de Melsens. d. Los hilos de guarda.

Pararrayos de Franklin.- Benjamin Franklin, a quien se le atribuye el invento, coloco su primer pararrayos en Filadelfia, en el año 1760. Su pararrayos estaba formado por una barra cilíndrica de tres metros de altura y un diámetro de trece milímetros. El receptor colocado verticalmente y terminado en una punta muy aguda estaba conectado a tierra mediante un conductor de hierro. Este tipo de

pararrayos se ha usado mucho y aún se continúa usando en la actualidad. El conjunto descrito da lugar a un efecto punta pronunciado, lo que hace que, independientemente del carácter errático de los rayos, la probabilidad de que un rayo caiga dentro de un área determinada alrededor de él sea muy pequeña. En general se puede plantear que el área de protección se obtiene formando un cono que tiene como vértice el punto más alto del pararrayos y cuyos lados formen con él un ángulo dado, conocido como ángulo de protección, tal como se muestra en la Fig. 23. Para las construcciones civiles el máximo ángulo permisible es de 45º. La superficie del cono posee el grado mínimo de seguridad, a medida que se avanza hacia el interior se incrementa la seguridad. Para edificaciones, con un ángulo de protección


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de 45º, se definen dos tipos de zonas: la zona A que posee un grado de protección del 99.5 % y más y la B que lo tiene del 95 % y más.

La zona de protección de un pararrayos individual de altura h está constituido por un cono de altura ho < h, en el cual la sección horizontal de la zona de protección a la altura hx del objeto protegido es un círculo de radio rx, tal como se muestra en la Fig. 24. Evidentemente a medida que se avanza hacia el pararrayos el apantallamiento, para un objeto de una altura dada, es más efectivo por lo que el grado de protección contra un impacto directo será mayor. Ahora bien, lo más correcto es mantener el objeto a proteger a una distancia tal del pararrayos que no exista la posibilidad de que sea alcanzado por un flameo lateral, en el caso de una alta resistencia de puesta a tierra o que ésta se haga a través de una

conexión de alta impedancia. El caso de las personas debe también considerarse en la tensión de paso. La eficiencia de este tipo de pararrayos disminuye con la altura en una forma similar a la de los cables protectores como se verá posteriormente. Pararrayo de jaula.- Como se conoce, cualquier cuerpo situado en el interior de una envoltura metálica cerrada y conectada a tierra no siente los efectos de ningún fenómeno eléctrico que ocurra en su exterior, o en la superficie metálica de dicha envoltura, por intenso que éste sea. Esta disposición da por lo tanto la idea de lo que sería un pararrayos ideal. Así una instalación con revestimiento exterior metálico conectado firmemente a tierra queda protegido contra todo tipo de rayos. Se obtienen también resultados similares si la cubierta metálica es sustituida por una malla o red de conductores. En la práctica, por razones económicas y estéticas lo que se emplea es una red en la parte superior y un número determinado de bajantes a tierra. Pararrayos de Melsens. Este pararrayos en sus inicios (1875) estaba constituido por una malla de conductores situados en la parte superior de las edificaciones a la cual estaban conectadas diferentes puntas, todas reunidas en un haz sobre una barra. En la actualidad este sistema se reduce a un conductor que corre a lo largo de todos los pretiles de las edificaciones con puntas situadas cada 3 o 6 metros, en dependencia de lo normado para la región de que se trate. Hilos de guarda.- Los hilos de guarda se emplean en instalaciones de baja altura y su operación se basa en el apantallamiento del objeto a proteger, aumentando el grado de protección que brindan a medida que se considera un ángulo de protección menor. En ellos el empleo de un buen sistema de puesta a tierra es imprescindible ya que los potenciales inducidos en ellos por descargas cercanas son de consideración. 3.3. Pararrayos activos. Dentro de los pararrayos activos se han considerado dos modelos básicos: el radioactivo y el de efecto corona.


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Pararrayos radioactivos. - El húngaro Szillar fue el primero que pensó en la aplicación de materiales radioactivos para provocar una excitación artificial de la atmósfera y una producción de iones con fines de protección contra los rayos. Para ello fabricó un pararrayos formado por una barra de cuatro metros de altura encima de la cual colocó 2 mg de bromuro de radio. Las observaciones experimentales realizadas con este tipo de pararrayos llevaron a la comprobación de que la cantidad de iones emitidos por este tipo de pararrayos era muy superior a la de una punta normal. Los estudios del profesor Szillar permanecieron durante mucho tiempo privados de aplicaciones prácticas por dos razones fundamentales:

1. A pesar de que la emisión de iones es mayor que la de una punta normal de pararrayos sistema Franklin, la cantidad de electricidad que este pararrayos es capaz de disipar en la atmósfera sigue siendo insuficiente para lograr una acción preventiva eficaz.

2. La necesidad de emplear material radioactivo costoso hacia este pararrayos de escaso interés práctico.

Los fabricantes de este tipo de pararrayos han planteado que se ha logrado aumentar la cantidad de iones producidos por el pararrayos radioactivos, y limitar simultáneamente la cantidad de material radioactivo necesario, aplicando al pararrayos un dispositivo de aceleración cuyo funcionamiento se basa en el gradiente de campo eléctrico que existe entre la tierra y el medio circundante y que se incrementa mucho cuando una nube cargada está situada sobre el pararrayos. La función específica del pararrayos radioactivo es producir un elevado número de iones y dirigirlos hacia arriba evitando que se acumule carga en el terreno donde está instalado, con el fin de evitar el líder positivo o la atracción del líder negativo del rayo. El principio de su funcionamiento es el siguiente: las partículas radioactivas altamente energéticas ionizan el aire produciendo una cantidad determinada de electrones los que, debido a la acción del campo eléctrico producido por el dispositivo de aceleración, alcanzan la energía necesaria para producir ionización por choques, ellos son atraídos por la parte del pararrayos conectado a tierra neutralizando cargas positivas en el mismo y disminuyendo por tanto su potencial y su capacidad de atracción. Una desventaja de estos pararrayos es que las partículas ionizadas que quedan en el aire son susceptibles de ser conducidas por el viento en diferentes direcciones, hasta el punto de que la zona ionizada por el pararrayos puede considerarse como una nube que tiene un extremo constante unido a la punta del pararrayos pero de forma y dimensiones variables en dependencia de la fuerza y dirección del viento. Este fenómeno puede afectar otra de las posibles ventajas de este tipo de pararrayos que es debido, precisamente, a la acción de esta nube iónica, y es el alejar el punto de contacto entre el líder descendente negativo y el líder ascendente positivo, punto de disrupción del rayo, considerado el punto más caliente de la descarga. Se plantea que el ángulo de protección que puede llegar a generar este tipo de pararrayos es de hasta 75º. Entre los materiales radioactivos que se usan está el radio 226 con vida media de 1600 años y emisiones alfa de 4,5 MeV y el americio 241 con vida media de 433 años y emisión alfa de 5,5 MeV, ambos con poca penetración por ser emisiones alfa, por lo que hay que depositarlos con una protección muy delgada para obtener una mejor ionización. La limitación fundamental que tienen estos pararrayos es la que se deriva del empleo de sustancias radioactivas, lo que plantea un problema serio para su empleo y sobre todo para el tratamiento que hay que darles cuando se retiren. Pararrayos de efecto corona.- El pararrayos de efecto corona es otro tipo de pararrayos activo, que evita la acumulación de cargas eléctricas en el lugar donde está instalado, jugando en este caso el papel fundamental el dispositivo de aceleración. Para hacer más eficiente este tipo de pararrayos en el diseño del acelerador se procuran bordes más pronunciados para facilitar el proceso de ionización.


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Con este tipo de pararrayos se obtiene ángulos de protección de hasta 60º y se pueden usar solos o cumpliendo la función de las puntas en el pararrayos de Melsens o el de jaula de Faraday. En estos casos descargan a todo el sistema de pararrayos en su conjunto. En la actualidad existen también diferentes tipos de pararrayos electrónicos que aprovechando el gradiente de potencial atmosférico almacenan cargas en un capacitor y con dicha energía y con un dispositivo adecuado se plantea que generan efluvios de alta velocidad de penetración desplazando el punto de disrupción del rayo a una altura considerable. Por otro lado en Colombia y Perú se ha dado a conocer un equipo el cual se ha llamado drenador por dispersión (Perú) o drenador de dispersión (Colombia); en la información que se puede obtener en Internet se plantea por parte de la empresa peruana SOLCOMING que este drenador es un dispositivo que le brinda a las nubes una referencia más cercana que las construcciones, mediante la generación de un campo eléctrico alimentado por una tensión mínima de 8 kV y que está conformado por varillas de punta de acero inoxidable en dos sectores, con un límite flotante se logra un efecto con número de onda similar al presentado en la descarga atmosférica por ser el mismo medio; utilizando el aire crea un circuito híbrido R-C referenciado a un área flotante que absorbe la energía cinemática de alta frecuencia y la traslada a esta referencia; en esta área flotante se almacena la energía hasta que su contorno acumulador se rompa y vea la referencia del suelo artificial (pozo capacitivo).

Se plantea así que este dispositivo entonces presenta como ventajas que al drenar las nubes cargadas eléctricamente evita que se produzca el rayo, así como que ofrezca prevención antes que protección. Sobre los pararrayos tipo Franklin (convencionales) y los pararrayos tipo ESE o similares (no convencionales). Una gran controversia a escala internacional ha suscitado la introducción de los pararrayos no convencionales, comúnmente llamados pararrayos activos, pues los problemas van más allá del aspecto técnico de las funciones que se plantean realizan las cabezas captadoras de dichos pararrayos, llegando a problemas de interés de mercado, por un lado, y hasta concepciones técnicas sobre la protección, por otro lado. La comunidad internacional lleva ya unos cuantos años dando pasos para esclarecer criterios desde el punto de vista técnico, ya que la decisión final del uso de un tipo u otro de pararrayo como elemento captor queda en manos del cliente; el objetivo de la comunidad internacional va dirigido, en lo fundamental, a esclarecer las diferencias que, en cuanto a las funciones y/o comportamiento, presenta


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este tipo de pararrayo no convencional con relación al que convencionalmente se ha utilizado: la punta Franklin. Aspectos normativos del problema. Si se busca la norma internacional IEC 61024 [6] se podrá encontrar que lo relacionado con la protección externa contra las descargas atmosféricas está basado en el uso de las puntas Franklin y las conocidas mallas, no reconociendo la IEC el uso de los pararrayos del tipo convencional. Por otro lado las normas francesas NF C17-102 [7] y la española UNE 21186 [8] certifican el uso de los dispositivos con captadores de cebado planteando el incremento del área de protección con este tipo de tecnología, con relación a la punta Franklin, en función de que dichas puntas producen antes la ionización del aire. Hermoso y Torres [9] plantean, sobre la base de estudios realizados por otros investigadores, que el concepto de …. la estimación del avance del cebado en las normas francesas y españolas en base a ensayos de Laboratorio…. es motivo también de controversias … fundamentalmente porque los valores que se han obtenido en estos ensayos no son representativos del proceso de formación de la descarga ascendente positiva. En 1999 la agencia norteamericana NFPA (National Fire Protection Association), que es el órgano rector en los Estados Unidos con relación a la aplicación de las normas relacionadas con la protección de instalaciones y riesgo de fallos u operación de las mismas, sometió a consideración de la comunidad internacional la inclusión de los pararrayos tipo ESE (Early Streamer Emission) en la norma NFPA 781, lo cual dio base para una declaración del Comité Científico de la Conferencia Internacional de Protección contra Rayos (ICLP, de acuerdo a sus siglas en inglés) la que en resumen plantea: 1. La función sobre la que se basa un terminal tipo ESE nunca ha sido probada en ensayos

naturales de campo, y los ensayos en laboratorios no han podido demostrar sus ventajas sobre las puntas tipo Franklin. Por el contrario, en ensayos comparativos ambos tipos de puntas han mostrado resultados similares en cuanto a cantidad de impactos de rayo y radio de protección.

2. Los ensayos realizados a nivel de laboratorio no son capaces de reproducir las condiciones que se presentan ante condiciones de tormenta, con relación a los campos eléctricos que están presentes ni a las condiciones que permiten el desarrollo estable de un líder.

3. Falta de claridad con relación a conceptos tan importantes para la comprensión del proceso físico que ocurre en escala natural, y con los que los investigadores identifican las diferentes etapas de las descargas como son los conceptos de streamer, líder frío y líder caliente. Así mismo no hay claridad en lo relacionado con el tiempo de inicio del líder ascendente obtenido a escala de laboratorio, fundamentalmente porque hacen referencias a distancias mínimas especificadas muy pequeñas para el desarrollo de los diferentes tipos de descargas, lo cual queda mucho más claro en los procesos a escala natural.

El problema de la reproducción escalar de las condiciones que se desarrollan en la naturaleza y que es precisamente lo que diferencia los ensayos en campo a los ensayos en laboratorio, es uno de los aspectos básicos dentro de las controversias, pues es precisamente la base del concepto que se plantea para enumerar las ventajas de la punta tipo ESE sobre las tipo Franklin, al plantearse el desarrollo de un líder ascendente que haría un efecto similar al de una punta Franklin ubicada a una altura muy superior a la que normalmente se diseña, y por tanto permite incrementar el radio de protección. Así mismo, en [9] Hermoso y Torres presentan un resumen del criterio emitido por Instituto Nacional de Normas y Tecnologías de los Estados Unidos en un análisis efectuado a partir de una exhaustiva revisión bibliográfica sobre los pararrayos tipo ESE, donde se plantea:


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1. El desarrollo de nuevos métodos para el cálculo de la distancia de impacto y las zonas de protección contra las descargas atmosféricas sigue siendo una prioridad.

2. Continuar y ampliar los ensayos a nivel de Laboratorio para crear una base de datos estadística que permita ganar criterios sobre la iniciación de las descargas tanto para las puntas tipo ESE como en las convencionales.

3. Continuar los estudios de campo en zonas con alta densidad de descargas atmosféricas con diferentes tipos de puntas.

El uso de los pararrayos tipo ESE debe ser materia de estudio por parte de los expertos, no con el objetivo de eliminar su uso, sino en la búsqueda de una verdad para su utilización más eficiente y de acuerdo con la realidad y no a partir de lo que comerciantes o experiencias extraterritoriales presentan, fundamentalmente porque en muchos países:

a. No se han realizado estudios de campo ni de Laboratorio con diferentes tipos de puntas y pararrayos.

b. No hay una base estadística confiable que permita hacer al menos un análisis de aquellos sistemas que han utilizado las puntas tipo ESE en los proyectos para su comparación con otros que, estando ubicados en condiciones similares de explotación, utilizan las tradicionales puntas Franklin.

Pronunciamientos actuales en el área Latinoamericana. Durante el VI Congreso Latinoamericano y III Iberoamericano en Alta Tensión y Aislamiento Eléctrico ALTAE 2003 celebrado en San José de Costa Rica, uno de los temas más tratados y debatidos fue el de los pararrayos no convencionales. Una de las actividades fundamentales fue el desarrollo de la mesa redonda El uso de los pararrayos tipo ESE y Franklin en la protección contra las descargas atmosféricas en la cual actuaron como ponentes los Doctores Marcos Moreno (México), Blas Hermoso (España), Horacio Torres y Francisco Román (Colombia) en la cual se pudo conocer el estado actual de las investigaciones sobre este campo y sobre la cual el Comité Internacional ALTAE emitió un comunicado a la comunidad internacional a partir de los análisis realizado y de las conclusiones a que se llegó en dicha mesa donde, haciendo un resumen del documento, se plantea:

a. En los ensayos realizados a nivel de campo y laboratorio no se ha demostrado la efectividad extra que algunos autores y comercializadores que apoyan el uso de las puntas no convencionales manifiestan.

b. Los ensayos de campo demuestran hasta el presente resultados muy similares tanto desde el punto de vista de cantidad de rayos incidentes como de operaciones efectivas de ambos tipos de pararrayos.

c. Los ensayos de laboratorio tienen serias limitaciones para lograr una reproducción efectiva de las condiciones que se presentan en los instantes previos y posteriores a la ocurrencia de las descargas atmosféricas, fundamentalmente en lo referente a las intensidades de campo eléctrico necesarias para provocar la presencia del líder ascendente (200 kV/m en los ensayos de Laboratorio, 40 kV/m en la naturaleza), lo que lleva a modos de descarga muy diferentes entre sí.

Como puede observarse el grupo de expertos reunidos en ALTAE son del criterio de no negar la posibilidad de uso de las puntas no convencionales, pero no justifican su uso ni en un mayor radio de cobertura ni en un mejor comportamiento de los mismos, y sin embargo son del criterio de que la punta tipo Franklin sigue demostrando su validez y los costos asociados a ella son menores a los que están asociados a las puntas tipo ESE. 3.4. Pararrayos de carburo de silicio (SiC). Los pararrayos valvulares están formados por tres partes principales:


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a. La cámara aislante. b. Los entrehierros o descargadores. c. Las resistencias no lineales.

En la Fig. 26 se muestran las características generales de un pararrayos valvular. La cámara aislante está compuesta de un tubo de porcelana y sus funciones son:

a. Aislar los elementos que se encuentran en su interior, los entrehierros y las resistencias no lineales, del medio exterior.

b. Aislar el terminal de alta tensión de la conexión de tierra.

Este tubo de porcelana contiene en su interior todos los elementos del pararrayos y debe estar herméticamente sellado y con un gas en su interior a una presión ligeramente superior a la presión atmosférica. Normalmente se emplea nitrógeno. La longitud de la cubierta de porcelana depende de la tensión del pararrayos y sus dimensiones y configuración externa deben ser los adecuados para operar bajo condiciones de contaminación lluvias etc. Los entrehierros están formados por una serie de placas metálicas pulidas, para evitar preionizaciones indeseables, separadas por

anillos aislantes construidos de mica por lo general entre los cuales existe un campo eléctrico casi uniforme para que al alcanzar la tensión de descarga ésta no tenga demora. Las principales funciones de los entrehierros son:

a. Soportar las tensiones normales de operación sin que ocurran descargas. b. Descargar a una tensión predeterminada para permitir el flujo de la corriente de la descarga de

impulso a través del pararrayos. c. Interrumpir la corriente de potencia que circula a través del mismo después de su operación.

El número y la tensión de ruptura de los entrehierros son los que determinan la tensión de operación del pararrayos. Las resistencias no lineales están constituidas por cristales de carburo de silicio (conductores) incrustados en un medio aglutinante no conductor, comúnmente cerámica. A bajas tensiones el flujo de electrones en los puntos de contacto de los cristales es despreciable, pero una vez que se vence la barrera de potencial en los bordes de los mismos comienza a circular una corriente de intensidad apreciable, es decir, al sobrepasar la tensión un valor determinado tiene lugar una variación óhmica brusca, la resistencia disminuye y se facilita el paso de la corriente del rayo a tierra. Este mecanismo de conducción es independiente de la dirección del flujo de la corriente lo que faculta a estas resistencias para mandar a tierra indistintamente ondas de polaridad positiva o negativa. La resistencia responde sin ningún retraso a cualquier variación en el flujo de electrones. Las resistencias no lineales presentan la característica de variar su valor óhmico con gran rapidez con la variación de la tensión aplicada. A medida que aumenta la tensión aplicada, disminuye el valor de la resistencia, cumpliéndose también lo contrario, de ahí su comportamiento no lineal. La expresión que rige su comportamiento no lineal es:


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………………………………………………………. 3.1

donde: I - Corriente a través del pararrayos. U - Tensión en el pararrayos. k - Constante que depende del material. α - Coeficiente de alinealidad (comúnmente entre 4 y 6 ).

En la Fig. 27 se han representado en forma conjunta los diferentes parámetros que caracterizan y facilitan el comportamiento de las resistencias no lineales. Las rectas (1) y (2) representan resistencias lineales que contrastan con la resistencia no lineal (3). La parte (a) de la curva corresponde al incremento de la corriente mientras que la (b) corresponde al decremento de la misma.

Como se puede apreciar, en las zonas de operación normal, para valores iguales o menores que Un, la magnitud de las resistencias no lineales (tangente a la curva) es muy grande. Para valores superiores a Un la resistencia comienza a disminuir, por lo que grandes aumentos en la corriente sólo producen pequeños incrementos en la tensión, hasta que para el valor máximo de la corriente de descarga (Ia) se alcanza la máxima tensión aplicada al pararrayos, la que se conoce como tensión residual y es el valor mínimo al cual un pararrayos puede limitar una sobretensión. Al disminuir la corriente la característica retorna a sus condiciones iniciales formando un lazo, restableciéndose plenamente las condiciones iniciales cuando la corriente pasa por cero. En resumen la operación de un pararrayos valvular es la siguiente: al aplicársele una sobretensión entre sus terminales, y cuando ésta alcanza un valor predeterminado, los entrehierros rompen (tensión de cebado) y se establece un arco entre ellos, las resistencias no lineales reducen su valor óhmico a un valor muy bajo producto de la elevación de la tensión dando paso a la corriente asociada a la sobretensión. Cuando la corriente de impulso ha sido drenada a tierra el pararrayos queda sometido nuevamente a la tensión de potencia de la red, la cual trata de mantener la circulación de la corriente consecutiva, pero como la tensión ha disminuido la magnitud de las resistencias no lineales crece rápidamente reduciendo el valor de la corriente a una magnitud tal que los entrehierros la puedan interrumpir al primer paso de la misma por cero.


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Este tipo de pararrayo usado en los sistemas eléctricos hasta niveles medios de tensión es capaz de drenar a tierra la corriente de los rayos sin que sus entrehierros sufran daños, pero para corrientes superiores a los 300 A con duraciones de 2000 µs o más, en el punto de contacto del arco con el entrehierros el metal puede ser fundido formándose glóbulos que reducen la distancia entre ellos, disminuyendo su tensión de ruptura y dificultando la extinción del arco; por otro lado, para estas corrientes el efecto térmico sobre las resistencias es mayor aumentando la temperatura dentro del pararrayos lo que dificulta aún más la extinción del arco. Condiciones de operación con corrientes transitorias de estas magnitudes y superiores se presentan comúnmente en los sistemas de alta tensión con largas líneas de transmisión. El efecto térmico del arco eléctrico se puede disminuir mediante el empleo de un imán permanente situado en forma tal que su campo magnético al actuar sobre el arco eléctrico cree una fuerza sobre el mismo que lo haga rotar, evitando con ello que el mismo actúe continuamente sobre el mismo punto; este proceso además alarga el arco eléctrico facilitando su enfriamiento y por tanto su extinción. Con este sistema se logra interrumpir corrientes de hasta 600A. Si bien el pararrayos con imán permanente se usa, en los pararrayos valvulares de estación lo más común es lograr el mismo efecto aprovechando el campo magnético creado por la propia corriente de la descarga. A este tipo de pararrayos se le denomina pararrayos de soplado magnético.

El principio de operación de un pararrayos de soplado magnético se muestra en la Fig. 28 en la que las bobinas de soplado magnético se encuentran conectadas en paralelo con resistencias no lineales y ambas a su vez conectadas en serie con los explosores. Este sistema opera como sigue: la frecuencia de la corriente que acompaña a la sobretensión es alta por lo que las bobinas de soplado le ofrecen una elevada impedancia, circulando por tanto la corriente de la descarga por las resistencias no lineales conectadas en paralelo con dichas bobinas; ahora bien, cuando la corriente de la descarga cesa la corriente que queda

circulando es la de frecuencia de potencia, condición para la cual las bobinas de soplado tienen una impedancia muy pequeña y es por ellas por donde circulará la corriente y es el campo magnético creado por esta corriente la que actúa sobre el arco eléctrico alargándolo y enfriándolo, lo que facilita su extinción. Uno de los problemas más críticos en los pararrayos valvulares es la distribución de tensión en sus entrehierros, si se consideran los entrehierros como capacitores en serie, tal como se indica en la Fig. 29; teóricamente les correspondería una distribución de tensión lineal pues todos los entrehierros son iguales; sin embargo, en la realidad no es así.


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La distribución de tensión no es lineal debido al efecto de las capacitancias parásitas que hacen que la corriente que circula por cada entrehierros sea diferente. La tensión que corresponde a cada unidad está dada por:

………….. 3.2

donde:

N- Número de entrehierros.

Para mejorar la distribución de tensión en los entrehierros de los pararrayos se usa el control resistivo. Este consiste en situar en paralelo con los entrehierros resistencias de forma tal que la corriente de fuga circule por ellas imponiendo así a los entrehierros la distribución de tensión que ellas determinen. Estas resistencias son lineales y en forma de aros para que puedan rodear completamente al entrehierros. Para pararrayos de tensiones muy altas

se requiere, para mejorar la distribución de tensión, del control capacitivo, pues con el control resistivo se mejora mucho la distribución de tensión pero en la práctica no se logra la linealidad. El control capacitivo se logra mediante la adición a los pararrayos en su parte superior de una pieza en forma de anillo, la que produce capacitancias transversales opuestas que compensan los efectos de las capacitancias parásitas. Una mala distribución de tensión en los entrehierros trae como consecuencia calentamiento e ionizaciones indeseables en los entrehierros más afectados, la que a la larga disminuyen la tensión de operación de los mismos. En la selección de un pararrayos de este tipo para que opere correctamente se destacan por su importancia dos parámetros:

a. La tensión nominal. b. La corriente de descarga nominal.

La tensión nominal es el valor eficaz máximo permisible de la tensión de frecuencia de potencia admisible entre sus bornes para la cual está previsto que el pararrayos funcione correctamente. Esta tensión puede ser aplicada de manera continua sin modificar sus características de funcionamiento. Si cuando el pararrayos opera le queda aplicada una tensión superior a su tensión nominal el continuará drenando a tierra la corriente consecutiva de frecuencia de potencia hasta su destrucción. Como se sabe la máxima tensión de línea a tierra durante una falla debe ser calculada teniendo en cuenta los parámetros de ésta, pero para cálculos aproximados se puede considerar que en los sistemas efectivamente puestos a tierra la tensión máxima a esperar no debe exceder el 80% de la


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tensión de línea, en los puestos a tierra a través de resistencias este valor oscila entre un 85 - 88 % y para los sistemas aislados es de un 100%. Normalmente se toma para la tensión nominal del pararrayos un 105% del valor de esta tensión. La corriente de descarga nominal es el valor pico de la corriente de descarga de 8/20 µs que se utiliza para designar a un pararrayos. La corriente de descarga dependerá del tipo de pararrayos, siendo valores típicos de esta corriente 5, 10, 20 kA. 3.5. Pararrayos de Óxido metálico (ZnO). La principal característica de los pararrayos de óxido metálico (ZnO) es que ellos operan sin la necesidad de emplear entrehierros tal como se muestra en la Fig. 30. En ellos la cámara aislante de porcelana, o de algún compuesto polimérico, cumple las mismas funciones que en el pararrayos de carburo de silicio.

Las resistencias no lineales son discos cerámicos densos compuestos en un 85-90 % de ZnO y en un 10-15 % de otros óxidos metálicos como son: Bi2O3, Sb2O3, CaO, MnO2, CrO3, NiO, Al(NO3)3. El CaO y el Al(NO3)3 juegan un papel particularmente importante en el dopado eléctrico de los granos de ZnO para aumentar su conductividad ya que ellos a la temperatura de sinterización de la resistencia se difunden a través de los granos de ZnO. En la Fig. 31 se ilustra la estructura básica de una resistencia no lineal a base de ZnO; diminutas partículas de este material, de aproximadamente 10 µm de diámetro, se encuentran fusionadas en capas intergranulares de alta resistividad. La resistencia por lo tanto representa un arreglo serie - paralelo de granos de ZnO separados por

uniones intergranulares del resto de los óxidos metálicos. Por lo general la resistividad de los granos de ZnO está entre 1-10 ohm-cm, en dependencia del dopado que tengan, mientras que la resistividad de las capas intergranulares es superior a 108 ohm-cm. La representación logarítmica doble de la característica de tensión contra corriente se muestra en la Fig 32. En la región 1 la tensión aplicada se distribuye fundamentalmente en las capas intergranulares, las que pueden soportar hasta 2,5 V para densidades de corriente en la resistencia de 10-4 A/cm2. En esta región la corriente que circula es básicamente capacitiva y la resistiva que circula está limitada a la motivada por aquellos electrones de muy alta energía térmica que son capaces de vencer la barrera de potencial de las capas intergranulares.


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La región 1 (llamada región de predescarga, prerruptura o lineal) corresponde a la región de explotación bajo condiciones de tensión nominal del pararrayos, en ella la corriente resistiva que

circula es por lo general menor de 1 mA y la misma juega un papel muy importante en la estabilidad térmica del pararrayos, ya que como se puede ver en la Fig, 32 la misma varía con la temperatura del resistor. Cuando la tensión aumenta y se alcanza la región 2 (región de descarga, ruptura o de no linealidad), el campo eléctrico ya es capaz de dar a los electrones la energía necesaria para que comiencen a vencer la barrera de potencial, adquiriendo en esta región la capa intergranular su carácter dinámico: se comporta como una resistencia que disminuye su valor al aumentar la tensión. Esta región se caracteriza por una alta alinealidad.

En la región 3 (región de alta descarga o alta corriente) se alcanza el máximo debilitamiento de la barrera de potencial y la caída de tensión en el resistor está determinada por la caída en los granos de ZnO, siendo éstos por tanto quienes determinan la tensión residual del pararrayos. Disminuyendo la resistividad del los granos de ZnO mediante su dopado se puede disminuir la tensión residual, pero esto siempre trae como consecuencia un aumento en la corriente resistiva bajo condiciones de operación nominales con un aumento de las pérdidas y por tanto con un empeoramiento en el comportamiento térmico del resistor. Las pérdidas de energía en forma de calor y por lo tanto su estabilidad térmica son quienes limitan la tensión de operación máxima permisible de este tipo de pararrayos. En la región de alta alinealidad la corriente en este pararrayos tiene la expresión vista ya en 3.1. Uno de los problemas principales de este tipo de pararrayos radica en que, como sus resistencias están permanentemente conectadas a la tensión de la línea, por ella fluye un corriente continuamente. La potencia disipada en las resistencias es proporcional al producto de esta corriente por la tensión aplicada, ahora bien, como la corriente a su vez depende de la temperatura del resistor, la potencia disipada también dependerá de ella. Al igual que en los pararrayos de SiC, en la selección de los pararrayos de ZnO hay parámetros de mucha importancia como son:

a. La máxima tensión de operación continua. b. La tensión nominal. c. La corriente de descarga nominal.

La máxima tensión de operación continua (MCOV, de sus siglas en inglés “maximun continuous operating voltage”) es el máximo valor r.m.s. de la tensión a frecuencia de potencia que puede ser aplicada continuamente entre los terminales del pararrayos durante su tiempo de vida útil sin que exista deterioro de sus cualidades eléctricas. La tensión nominal es el máximo valor r.m.s. a frecuencia de potencia entre los terminales al cual es diseñado para operar correctamente bajo las condiciones de sobretensiones temporales establecidas en las pruebas de operación. La tensión nominal del pararrayos se selecciona, por tanto, de acuerdo a las sobretensiones temporales en el punto donde se encuentra instalado el pararrayos, teniendo en cuenta tanto su amplitud como su duración; es decir, la característica de tensión a la frecuencia del


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sistema contra tiempo del pararrayos debe ser más alta que la característica de amplitud contra tiempo de duración de la sobretensión temporal. La corriente de descarga nominal se selecciona de acuerdo a los mismos parámetros que en el caso de los pararrayos de SiC. Análisis comparativo entre los pararrayos de ZnO y SiC. En la Fig. 33 se muestran las características de corriente contra tensión de los diferentes tipos de resistores empleados en la protección contra las sobretensiones transitorias, comparadas con la característica que le corresponde a un pararrayos ideal para la misma tensión residual. Como se puede apreciar la característica correspondiente al pararrayos de ZnO es quien más se aproxima a la condición ideal.

La intensidad de la corriente que circula a través de las resistencias de ZnO para la tensión nominal es tan pequeña que permite que el pararrayos construido con este tipo de resistencia opere sin entrehierros, lo que no es posible en el pararrayos de SiC. Lo antes expuesto se puede apreciar con más facilidad en la Fig. 34 en la que, como se muestra, para

la tensión nominal por las resistencias de ZnO la corriente que circula es de un orden muy inferior que en el caso del SiC, por lo que un pararrayos construido con estas resistencias no puede operar sin entrehierros que limiten la magnitud de la corriente que circule a través de ellos para la tensión nominal. Otra diferencia importante es que en el caso de los pararrayos de ZnO no existe corriente consecutiva de frecuencia de potencia, durando por lo tanto la conexión de la línea a tierra sólo el tiempo necesario para derivar a tierra la corriente de la sobretensión, es decir, el paso del estado aislante al conductor es sumamente rápido, del orden de nanosegundos, y totalmente reversible ya que va del estado conductor al aislante

también sumamente rápido cuando la tensión aplicada se hace inferior a la tensión de ruptura. En los pararrayos de SiC hay que esperar a que primero descarguen los entrehierros, considerando el tiempo


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estadístico de demora y el tiempo formativo de demora, y después operan las resistencias no lineales, por lo que primero se alcanza la tensión de ruptura y después, con la circulación de la corriente, se define la tensión residual (ver Fig. 35).

En el caso de los pararrayos de SiC para establecer el margen de protección hay que considerar dos aspectos: la tensión de operación en el frente de onda (MP1) y la tensión residual máxima a la corriente especificada (MP2) tal como se muestra en la Fig. 36. La tensión de operación en el frente de onda no depende de las resistencias de SiC sino de la razón de crecimiento de la tensión y de la consistencia del disparo de los entrehierros. En el caso de los pararrayos de ZnO no existe esta dependencia ya que depende del nivel de protección que brinda el dispositivo únicamente a partir de las características de las resistencias no lineales de ZnO, tal y como se muestra en la Fig. 37


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. 3.6. Pararrayos distribuidos. En muchas líneas de transmisión, sobre todo en aquellas que corren a través de zonas rocosas de alta resistividad y alto nivel ceraúnico, se presentan con mucha frecuencia fallas debido a los altos valores que alcanzan las tensiones inversas que se generan debido a los altos valores de resistencia de puesta a tierra que las caracterizan. Para enfrentar esta situación sólo es posible emplear dos métodos: el empleo de medios artificiales para disminuir la resistencia de puesta a tierra o situar pararrayo en las estructuras en paralelo con las cadenas de aisladores que soportan los conductores de las fases. Es típico encontrar estos problemas en líneas situadas en terrenos montañosos. En muchas ocasiones es más económico la instalación de pararrayos que el bajar la resistencia de puesta a tierra por medios artificiales, muchos de los cuales por otra parte no brindan una solución definitiva en el tiempo. Dado el alto costo de los pararrayos, su gran peso y dimensiones para tensiones altas los mismos no se usaron con estos fines hasta la aparición de los pararrayos de óxido metálico. Por las razones antes expuesta, antes de la aparición de los pararrayos de óxido metálico, se usaban con estos fines exclusivamente los tubos de expulsión los que si cumplían con las características especiales requeridas: ser ligeros, mecánicamente adecuados a las condiciones de intensos vientos a los que se pueden someterse en áreas abiertas, y ser resistentes a daños por impactos. Los tubos de expulsión están constituidos básicamente por un tubo de fibra con electrodos en sus dos extremos. Al presentarse un arco eléctrico en su interior, por el efecto térmico del mismo, las paredes del tubo se descomponen produciendo una gran cantidad de gases desionizantes, los que al ser expulsados al exterior por un orificio especialmente destinado a ello desgarran el arco facilitando su extinción. Los tubos protectores no se conectan permanentemente a la línea sino que se encuentran aislados de ésta por un entrehierro. Cuando la tensión aplicada al entrehierro es superior a la establecida se establece a través de él un arco, que cierra el circuito a tierra a través del interior del tubo que está diseñado para tener una tensión de ruptura interior mucho más baja que la exterior. Cuando la corriente consecutiva de frecuencia de potencia pasa por su valor cero se crean las condiciones para la extinción del arco. En la actualidad se emplean con estos fines pararrayos de óxido metálico que cumplen con los requisitos necesarios. Existen básicamente dos tipos de pararrayos a considerar: los que se conectan directamente a través de las cadenas de aisladores y los que se instalan con un entrehierro externo en serie.


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Los pararrayos que se conectan directamente a través de las cadenas de aisladores se encuentran permanentemente conectados a la tensión de la línea a tierra y en condiciones normales de operación se encuentran sometidos a la circulación de la corriente continuamente debido a la tensión de operación continua del sistema. En los pararrayos que se instalan con un entrehierro externo en serie, éste cumple las siguientes funciones:

a. Proporciona un camino a tierra únicamente cuando se produce una sobretensión por impulso de rayo.

b. Interrumpir la corriente de frecuencia de potencia una vez cesado el transitorio. c. Aumentar la vida útil del pararrayos como consecuencia de tener el pararrayos desconectado de

la línea, sin someterlo a los esfuerzos eléctricos asociados con las elevaciones temporales de tensión en la línea y el consiguiente aumento en la corriente continua.

Un ejemplo típico del empleo combinado de un entrehierro y de un pararrayos ZnO para proteger un sistema de distribución es el uso de los denominados limitadores de corriente del tipo que se muestra en la Fig. 38.

3.7. Criterios de selección de un pararrayos. Las características que debe cumplir un pararrayos para proteger un conjunto de equipos en un punto del sistema son:

1. Corriente nominal y clase de descarga de línea. La elección de la corriente nominal de descarga del pararrayos es un criterio de diseño que determina las características básicas de la misma.

2. Adecuación del pararrayos al sistema. El pararrayos debe ser capaz de soportar permanentemente la tensión del sistema (determinación de U,) y las sobretensiones temporales que se presenten durante la duración máxima que puedan tener (determinación del TOV). Asimismo, debe tener una línea de fuga mínima para evitar que se produzcan contorneos.

3. Selección de las características de protección. El pararrayos debe limitar el valor de las sobretensiones que pueden aparecer en el sistema por debajo de los límites que es capaz de soportar el equipo al que protege. Se definen unos márgenes de protecci6n frente a impulses tipo rayo y maniobra que debe garantizar el pararrayos.

Las características necesarias para definir y seleccionar pararrayos de resistencia variable sin explosores (ZnO) para un sistema eléctrico son las siguientes:


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a. Tension nominal o asignada: Un b. Tension de funcionamiento continua: Uc. c. Capacidad del pararrayos frente a sobretensiones temporales: TOV d. Corriente nominal de descarga: Id

i. Clase de descarga de la línea. e. Tensión residual o de descarga: Ur

i. Nivel de protección a impulsos tipo maniobra: SZPL ii. Nivel de protección a impulsos tipo rayo: LZPL

f. Clase de limitador de presión. g. Línea de fuga. h. Corriente permanente del pararrayos. i. Presencia de dispositivo de desconexión. j. Frecuencia asignada.

Tensión asignada o nominal.- La tensión asignada o nominal (Un) de un pararrayos es el valor eficaz máximo de tensión a frecuencia industrial admisible entre sus terminales para el cual está previsto un funcionamiento correcto en condiciones de sobretensiones temporales establecidas en los ensayos de funcionamiento según norma. La tensión nominal corresponde al valor eficaz máximo de tensión a frecuencia industrial que es capaz de soportar durante 10s, después de haber sometido al pararrayos a los impulses de corriente de gran amplitud o de larga duración.

La tensión asignada se utiliza como un parámetro de referencia para la especificación de las características de funcionamiento. Una vez realizado el ensayo, el valor de la tensión nominal del pararrayos corresponde a un valor normalizado inferior al obtenido (normalmente el inmediatamente inferior) para garantizar el correcto funcionamiento del pararrayos. Los valores normalizados de la tensión asignada de los pararrayos (en kV eficaces), para Europa, son mostrados en la Tabla 11. De esta Tabla puede verse que los escalones son diferentes para los diferentes rangos de tensión asignada. Por ejemplo, para el rango de tensión asignada entre 96 y 288 kV, existirán tensiones de 96 y 108 kV, pero no

existe 100 kV, pues el escalón normado es de 12 kV para ir de clase a clase de pararrayo. Si en el ensayo de tensión nominal se determina que el pararrayos es capaz de soportar durante 10s hasta 100 kV la tensión nominal de la misma deberá ser un valor normalizado inferior (96 kV). Tensión de funcionamiento continua.- La tensión de funcionamiento continua (Uc) de un pararrayos es el valor máximo admisible de tensión eficaz a frecuencia industrial que puede aplicarse de forma permanente en los terminales de un pararrayos. Representa la tensión eficaz máxima que puede soportar el pararrayos entre sus terminales de forma permanente, y corresponde a la tensión máxima que el pararrayos es capaz de soportar cuando está trabajando en la zona de predescarga (ver Fig. 32). Capacidad para soportar sobretensiones temporales.- La capacidad del pararrayos para soportar sobretensiones temporales (TOV) es el valor eficaz de la máxima sobretensión temporal a frecuencia industrial que es capaz de soportar entre sus terminales durante un tiempo determinado. En general, los fabricantes proporcionan gráficas con la variación del TOV, para distintos valores de tiempo.


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Suelen presentarse coma referencia los valores de TOV para 1 y 10 segundos. El valor de TOV para 10s suele ser algo superior al valor de la tensión asignada del pararrayos ya que Us es la tensión a frecuencia industrial durante 10s usada para verificar la estabilidad después de aplicar los impulsos indicados en las normas. Por tanto, la tensión nominal del pararrayos será a lo sumo el valor de TOV para 10s. El valor de TOV representa, por tanto, la capacidad del pararrayos para soportar, desde un punto de vista energético, las sobretensiones temporales que pueden aparecer en la red (con diferentes duraciones). Este valor no va asociado a la pérdida de aislamiento del pararrayos, sino a la destrucción del mismo. Corriente nominal de descarga de un pararrayos.- En general, se denomina corriente de descarga a la onda de corriente que circula por el pararrayos cuando se encuentra en la zona de descarga o alta descarga (regiones 2 y 3 de la Fig. 32). La corriente nominal de descarga (Id) de un pararrayos es el valor pico del impulso de corriente tipo rayo (8/20 µs) que se usa para designar el pararrayos. Los valores normalizados de corriente nominal de descarga son: 1.5, 2.0, 5, 10 y 20 kA. En la Tabla 12 se presentan los valores normalizados en función de la tensión asignada del pararrayos.

i. Clase de descarga de línea.

Para pararrayos de 10 kA y 20 kA se define la clase de descarga de la línea que identifica la capacidad del pararrayos para disipar la energía correspondiente a la descarga de una línea precargada. Para ello se definen cinco clases de descarga de la línea normalizadas, las cuales se muestran en la Tabla 13.


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Para cada una de las clases de descarga de la línea se define una amplitud y una duración del impulso de corriente de larga duración que debe ser capaz de soportar el pararrayos. Como se observa de la Tabla realmente no se definen de forma explícita la capacidad energética de un pararrayos como un valor expresado en kJ o kJ/kV, sino que define los parámetros de ensayo que determinan la clase de descarga de la línea del pararrayos. En general, para pararrayos de la misma clase de descarga de línea y mismo fabricante el valor de la energía es muy similar, por lo que suele considerarse idéntico (independientemente de la tensión nominal del pararrayos). Sin embargo, para pararrayos de una misma clase de descarga y diferente fabricante este valor puede ser distinto (ya que la energía a inyectar en el ensayo que determina la clase de descarga de la línea depende de características del propio pararrayos. Por ejemplo, la Tabla 14 presenta las tensiones nominales y residuales para dos fabricantes (A y B), cada uno de los cuales con dos modelos (1 y 2) de pararrayos de clase 3.

La energía asociada y obtenida en kJ y kJ/kV para cada uno de los modelos de la Tabla 14 se muestra en la Tabla 15; para ello se utilizó la expresión:

……….………………………………………….. 3.3 donde W es la energía asociada a la descarga de línea y es una función de Ures (tensión residual del pararrayos para el ensayo de impulso tipo maniobra), de Z (impedancia de onda de la línea) y de T (duración convencional en que la onda alcanza el valor pico) y Ut (tensión de carga (valor por unidad de la tensión asignada).

Como puede verse, aunque en ambos casos los pararrayos son de clase 3, los valores de capacidad energética son distintos. Para poder comparar las capacidades energéticas de diferentes fabricantes, es habitual presentar la corriente pico que es capaz de soportar el


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pararrayos cuando se le somete a un impulso de 4 ms (independientemente de la clase). Por tanto, la forma de clasificar los pararrayos es por su corriente nominal de descarga y su clase de descarga de línea (en caso de tratarse de pararrayos de 10 ó 20 kA). Hay que destacar la importancia que tiene la elección de la corriente nominal y la clase de descarga de línea, ya que al aumentar la clase aumenta la capacidad de disipación energética, pero también el precio del equipo.

Tensión residual o de descarga. La tensión residual de un pararrayos en el valor pico de la tensión que aparece entre sus terminales durante el paso de la corriente de descarga; su valor depende la forma de onda y magnitud de la corriente de descarga. Las tensiones residuales se obtienen para impulsos de corriente tipo maniobra (30 / 60 µs, para pararrayos de 10 y 20 kA) y tipo rayo (8 / 20 µs, para todos los pararrayos e independientemente de su corriente nominal) Los valores pico de las corrientes para los ensayos de tensión residual son valores mínimos que normalmente los fabricantes deben presentar en función de la corriente nominal de descarga y la clase de descarga de línea del pararrayos; la Tabla 16 muestra dichos valores sugeridos por las normas europeas. Por otro lado, los fabricantes de los pararrayos de 10 y 20 kA ofrecen la información de la tensión residual de sus pararrayos para varias corrientes de maniobra y de descarga (tipo rayo). Los valores más utilizados son los que aparecen en la Tabla 16. Clase del limitador de presión. En caso de una falla interna en el pararrayos, conviene que la corriente que lo atraviesa no provoque la destrucción violenta de su envolvente. En consecuencia, se recomienda que la corriente de falla soportada por el pararrayos sea igual o superior a la corriente de falla máxima en el lugar donde será instalado. Este problema puede ser especialmente crítico para los pararrayos de envolvente con porcelana (mayor riesgo de daño en caso de explosión) y de elevada tensión nominal (mayor tamaño). Para ello se toma como medida de seguridad la instalación de un dispositivo limitador de presión. Este dispositivo permite que el pararrayos rompa de forma no explosiva, quedando los posibles fragmentos en una zona muy próxima al equipo. Línea de fuga. La línea de fuga es la distancia medida a lo largo de la superficie aislante externa del equipo, y es una medida de la capacidad del equipo respecto al riesgo de contorneo exterior en entornos contaminados. Internacionalmente se han clasificado 4 niveles de contaminación, mas la presencia de envolventes poliméricas han cambiado esta visión, tal y como se muestra en la Tabla 17. La línea de fuga mínima se obtiene a partir de la línea de fuga específica y la tensión máxima del sistema. Dispositivo de desconexión. Para determinadas aplicaciones es habitual utilizar pararrayos con dispositivo de desconexión. Este dispositivo permite que la unión del pararrayos con el conductor de tierra se separe en casa de fallo, pudiendo comprobarse visualmente si el pararrayos esta averiado. Cuando un pararrayos está provisto de dispositivo de desconexión, este debe soportar sin actuar, los ensayos indicados en las normas (impulso de corriente de larga duración y de funcionamiento). En la


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práctica el dispositivo de desconexión suele utilizarse para pararrayos instalados en sistemas con tensión máxima de hasta 36 kV, correspondiendo a tensiones nominales de hasta 30 kV. Frecuencia asignada. La frecuencia asignada corresponde a la de la red donde va a estar instalado el pararrayos. Las frecuencias normalizadas son 50 Hz y 60 Hz.

Finalmente, los pararrayos deben someterse a unos ensayos tipo (además de los indicados en los apartados anteriores) cuyos resultados debe presentar el fabricante:

i. Ensayo de resistencia de aislamiento: mediante este ensayo se comprueba la capacidad de la envolvente del pararrayos para soportar esfuerzos de tensión en seco y bajo lluvia.

ii. Ensayos de resistencia a impulsos de corriente de larga duración: demuestran la capacidad de los varistores para soportar eventuales esfuerzos eléctricos y energéticos sin perforación ni contorneo.

En función de las tensiones residuales de cada tipo de ensayo se definen los niveles de protección de los pararrayos: i. El nivel de protección a impulsos tipo maniobra de un pararrayos (SIPS, switching impulse

protection level) es el valor máximo de la tensión residual del pararrayos a las corrientes de impulso tipo maniobra especificadas.

ii. El nivel de protección a impulsos tipo rayo de un pararrayos (LZPL, lightning impulse protection level) es la máxima tensión residual de1 pararrayos para la corriente nominal de descarga.

Criterio de elección de la corriente nominal y la clase de descarga de línea. En la práctica los valores utilizados de corrientes nominales y clase de descarga de línea son los mostrados en la Tabla 18.


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Criterio de elección de las sobretensiones temporales (TOV). En caso de aparecer sobretensiones temporales en el sistema las protecciones convencionales (sobreintensidad, distancia, diferencial, etc.) deben ser capaces de despejarlas en un tiempo breve (normalmente inferior a 1s). Los pararrayos son capaces de limitar tensiones elevadas cuya duraciçon apenas dura unos pocos microsegundos. Sin embargo, algunas sobretensiones temporales, al tener una duración mucho mayor exigen una disipación energética mucho mayor, por lo que un pararrayos debe ser capaz de soportar estas sobretensiones hasta el tiempo de actuación de las protecciones convencionales. Para poder comparar diferentes valores de magnitud y duración de las diferentes sobretensiones temporales con la capacidad del pararrayos para soportarlas, se suele convertir cada una de ellas a una amplitud equivalente (Uequ) para una duración de 10s, según la expresión:

…………………………………………………….. 3.3 donde:

Ut.- es la amplitud de la sobretensión temporal representativa. Tt.- es la duración de la sobretensión temporal representativa. Uequ.- es la amplitud de la sobretensión temporal representativa equivalente para 10s. m.- es un exponente que describe la característica de la tensión a frecuencia industrial frente al

tiempo del pararrayos. El exponente m varía entre 0.010 y 0.022, y se suele utilizar un valor medio de 0.02. Asi, la capacidad del pararrayos para soportar sobretensiones temporales TOV, durante 10s debe ser superior a la sobretensión temporal representativa equivalentes para 10s. En redes con tensión nominal hasta 220 kV es habitual considerar que las sobretensiones temporales son originadas por fallas a tierra, al ser generalmente las más severas, siendo el valor de sobretensión máxima que puede aparecer en el sistema por una fala a tierra es igual a:

……………………………………………………………………. 3.4 donde: Us.- es la tensión máxima del sistema (caso más desfavorable).


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k: es el factor de falla a tierra. En función del tipo de conexión del neutro, la magnitud de la sobretensión temporal por falla a tierra puede alcanzar diferentes valores:

i. Neutro sólido a tierra: El factor de falta a tierra (k) suele tener valores comprendidos entre 0.9 y 1,4. La duración máxima de una falla a tierra en este tipo de redes (tiempo máximo considerado para despejar una falla por parte de las protecciones convencionales) es habitualmente inferior a 1 s.

ii. Neutro no conectado sólidamente a tierra: En sistemas con neutro puesto a tierra mediante una impedancia el factor de falla a tierra (k) puede alcanzar valores desde 1,4 hasta 1.73. El tiempo de limpieza de una falla en este tipo de sistemas suele estar ajustado entre 1 y 10s (en función del valor de las corrientes de cortocircuito que puedan aparecer).

iii. Neutro puesto a tierra por bobina de compensación o neutro aislado: En estos sistemas el factor de falla a tierra (k) puede llegar a ser superior a 1.73, pudiendo alcanzar valores de hasta 1,9. El tiempo de actuación de las protecciones de este tipo de sistemas puede superar los 10s.

Conociendo el tipo de conexión de neutro del sistema y el tiempo máximo de actuación de las protecciones, se puede calcular la amplitud de la sobretensión equivalente (Uequ) a partir de combinar las expresiones 3.3 y 3.4. Criterio de elección de la línea de fuga. La selección o cálculo de la línea de fuga se hará de acuerdo al nivel de contaminación de la zona y la tensión máxima de trabajo tal y como se mencionó anteriormente. Una mala selección de este parámetro puede provocar el cebado, y la consecuente falla a tierra, del aislamiento. Margen de protección a impulsos. El margen de protección a impulsos tipo rayo de un pararrayos es el cociente entre la tensión soportada a impulsos tipo rayo de los equipos a proteger (LZW) y el nivel de protección a impulsos tipo rayo del pararrayos (Upr).El valor mínimo que se acepta por regla general es del 20%, por lo que la relación anterior sería igual a 1,2. En el caso del margen de protección a impulsos tipo maniobra es el cociente entre la tensión soportada a impulsos tipo maniobra de los equipos a proteger (SIW) y el nivel de protección a impulses tipo maniobra del pararrayos (Upm), mientras que el valor mínimo que se acepta por regla general es del 15%, por lo que la relación sería igual a 1,15. 3.8. Método simplificado para la elección de pararrayos sin explosores de ZnO. La selección de pararrayos para proteger los equipos de un sistema eléctrico debe realizarse de acuerdo con los criterios descritos en los anteriores apartados. Conocida la tensión nominal del sistema (Un), el nivel de aislamiento del equipo a proteger (Um, SIW, LIW) y una vez determinado el valor de amplitud de la sobretensión temporal representativa equivalente, los pasos a seguir para realizar la selección de pararrayos son los siguientes:

a. Paso 1: elección de la corriente nominal de descarga (Id) y de la clase de descarga de línea. Para su selección pueden utilizarse los valores recomendados en la Tabla 18.

b. Paso 2: elección de la línea de fuga. c. Paso 3: obtención de la tensión continua de operación. El pararrayos a instalar en el sistema

deberá ser capaz de soportar de forma permanente la tensión máxima del sistema Un, o sea:

d. Paso 4: obtener la capacidad para soportar sobretensiones temporales TOV:

TOV (10s) ≥ Uequ


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e. Paso 5: márgenes de protección Criterios finales sobre el uso de los pararrayos. Los pararrayos suelen instalarse en zonas estratégicas del sistema que permiten mantener una correcta calidad de servicio. Así, es habitual instalar pararrayos en:

a. Próximos a los terminales de los transformadores: para proteger la máquina de posibles sobretensiones que puedan producir su fallo. Deben instalarse en las salidas de todos los devanados. En este caso es especialmente importante disponer de un margen de seguridad elevado ya que en transitorios de frente rápido un transformador se comporta como un circuito abierto, duplicándose la onda de tensión incidente.

b. En la llegada de líneas a subestaciones: para proteger los equipos (especialmente interruptores) de sobretensiones atmosféricas que puedan llegar por las líneas.

c. En conversiones aéreo-subterráneas: para proteger los cables aislados de posibles pérdidas de aislamiento.

d. En algunos puntos críticos de la red en los que las descargas provocan cebado de aisladores con importante pérdida de calidad de servicio. Se instalan pararrayos en tramos de líneas en paralelo con los aisladores de las mismas.

En la Tabla 19 se muestran los valores característicos de la corriente nominal de descarga de los pararrayos en función de la tensión mínima del sistema. 3.8. Apantallamiento de líneas y subestaciones. Cables protectores. El grado de protección contra los impactos directos de los rayos a una línea de transmisión depende del grado de apantallamiento que le brinde la estructura y fundamentalmente el cable protector. El número de rayos que impactan a las estructuras disminuye apreciablemente cuando las líneas usan cables protectores tal como se muestra en la Tabla 12.

Número de impactos

Número de cables protectores

1 1 2 3

No. % No. % No. % No. % Estructuras 86 53 223 34 28 21 3 9 Líneas 75 47 432 66 107 79 29 91 Total 161 100 655 100 135 100 32 100 Tabla 12. - Distribución de los rayos entre las estructuras y las líneas.

La diferencia fundamental entre el caso en que el rayo impacta a la estructura y el caso en que impacta al cable protector está dado por la distribución de la corriente del rayo por los pasos a tierra que existen en la línea. La distribución de la corriente se muestra en la Fig. 39.


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Cuando el rayo impacta a la estructura el 60% de su corriente baja a tierra por ella y la sobretensión

inversa que tendrá que soportar el aislamiento de las fases de la línea está dado por el producto de esta corriente por la impedancia total de puesta a tierra.

………………………… 3.3 En el caso de que el rayo impacte el cable protector por las estructuras adyacentes más cercanas sólo bajara a tierra el 35 % de la corriente del rayo, en este caso la tensión inversa que tiene que soportar el aislamiento de las fases es de:

………………………... 3.4 la que es menor que el caso anterior en un 25 %. Por esta razón es que se plantea que la primera condición

es la más severa para el aislamiento que soporta la línea. La eficacia de la protección que contra los impactos directos brinda el cable protector y la estructura depende de los siguientes factores:

a. Altura y ángulo de protección del cable protector. b. La impedancia característica del cable protector. c. La impedancia característica del bajante a tierra. d. La impedancia característica del sistema de puesta a tierra. e. Características del aislamiento que soporta a los conductores de las fases. f. Espaciamiento entre los conductores de las fases y el cable protector. g. Características mecánicas del cable protector.

Angulo de protección.- El ángulo de protección está normalmente entre los 20 y los 40 grados, siendo el más usual de 30 grados para estructuras no mayores de 30 m. El grado de protección que brinda un cable protector no depende solamente del ángulo de protección sino que la probabilidad de falla está estrechamente relacionada con la altura del mismo como se muestra en la Fig. 40.

Para evaluar el grado de protección que brindan los cables protectores los dos métodos más usados son el de Kostenko y el de Whitehead. Método de Kostenko.- Según este método la relación entre la probabilidad de que el apantallamiento falle y se produzca un impacto directo a los conductores de la fase, la altura y el ángulo de protección está dado por:

…………………3.5 El número de veces que el apantallamiento falla y el rayo impacta uno de los conductores de las fases y se produce una falla en la línea está dado por:

………………………… 3.6 donde:


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N1- Número de rayos que impactan en la línea y que, para alturas de hasta 30 m, está dado por:

……………………………………..…………. 3.7

siendo: h- Altura promedio del cable protector. TD - nivel ceraúnico. P1 - Probabilidad de que la corriente del rayo exceda la corriente crítica para producir la

ionización necesaria para el establecimiento de un arco de la fase a tierra y con ello una falla a tierra. P1 está dado por:

siendo : Método de Whitehead.- El punto de partida de este método está en el radio de atracción de los objetos en tierra, altura de orientación del rayo o distancia disruptiva lo cual se muestra en la Fig. 41. Para esta distancia el líder descendente del rayo impone en el cable protector un campo eléctrico tal que permite que se inicia el líder ascendente, impactando por lo tanto el rayo en el mismo.

En vista de que el valor promedio del gradiente de ruptura contra un plano o placa conectado a tierra puede variar respecto a un conductor, Whitehead introduce el siguiente factor de corrección, que debe ser verificado en la práctica:

…………………………………………………………………….. 3.8


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La distancia disruptiva denota dependencia respecto a la carga eléctrica del líder, que ejerce influencia sobre el valor pico de la corriente del rayo. Para ella establece Whitehead la relación entre la corriente pico del rayo en kA dada por la expresión 3.9:

…..………………………………………………….… 3.9 La corriente del rayo no siempre denota el mismo valor, de allí que para cada valor de la corriente se tengan también dos valores para la distancia, uno para rt y otro para ra. Ambos definen entonces el plano ABCD de la Fig. 41 que contiene la zona expuesta BC. Esto quiere decir que todos los rayos que pasen por BC se consideran que carearan sobre el conductor de la fase. Los valores más frecuentes de kt oscilan alrededor de 0.9 aunque para muchas consideraciones prácticas se considera frecuentemente igual a uno. Cuando cae un rayo en el centro del tramo entre estructuras, sobre todo en el caso de frentes de onda muy pendientes, la tensión entre los conductores de las fases y el cable protector puede alcanzar valores muy altos y producirse una descarga entre ellos. Los efectos de estas descargas son nocivos no sólo por el hecho de que pueden producir una falla en el sistema, sino que el conductor puede ser dañado, sobre todo si se trata de conductores de aluminio. Para evitar esta situación lo que se hace es darle al cable protector, durante su instalación, una flecha menor, por lo general entre un 70 y un 80 % de la flecha del conductor. El cable protector debe ser capaz, además, de soportar el efecto térmico de la corriente producida por el rayo, sobre todo en el punto de descarga y cuando de trata de rayos múltiples. Protección de transformadores. La avería de un transformador es tan grave desde el punto de vista de la continuidad del servicio y de su propio costo, que la protección de su aislamiento es uno de los principales objetivos de todos los estudios de coordinación de aislamiento. Los dispositivos más utilizados en la actualidad para la protección de ellos son:

a. Los entrehierros o descargadores. b. Los pararrayos valvulares y de óxido metálico.

Entrehierros o descargadores.- Los entrehierros o descargadores constituyen el equipo más elemental y barato de los usados en la protección contra las sobretensiones aunque tiene serias limitaciones. Su uso más extendido es en los sistemas de distribución. Una de las limitaciones más importantes de estos dispositivos es que ellos no son capaces, en la mayoría de los casos, de interrumpir la corriente de frecuencia de potencia que se establece después de su operación, por lo que el circuito en que estén instalados debe ser desenergizado para limpiar la falla a tierra establecida. Por esta razón es por la cual su uso se recomienda en zonas de bajo nivel ceraúnico y en sistemas con recierre automático para limitar el tiempo de interrupción del servicio que su operación provoca. También se usan como protección de respaldo. Su principio de operación se basa en la ruptura del aire cuando el campo eléctrico entre ellos alcanza la tensión necesaria para iniciar los procesos de ionización que han de crear el camino conductor entre ellos. Por su principio de operación se ve claramente que su tensión de ruptura se ve afectada por las condiciones atmosféricas y ambientales: presión, temperatura, humedad, lluvia polvo, etc. En general se puede plantear que a partir del instante de tiempo en que entre los electrodos se alcanza una tensión igual o superior a la tensión de ruptura, para las condiciones atmosféricas de que se trate, para que ésta se desarrolle ha de transcurrir un tiempo determinado. Este tiempo se divide en dos partes: la primera denominada tiempo estadístico de demora y la segunda tiempo formativo de demora.


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El tiempo estadístico de demora es el tiempo transcurrido desde que se cumple la condición de que la tensión aplicada es mayor o igual a la tensión de ruptura a que aparece el primer electrón libre capaz de iniciar la avalancha. El tiempo formativo de demora es el tiempo requerido por la descarga para desarrollarse después de la aparición del primer electrón que produce una avalancha exitosa, es decir, que lleva a la ruptura. Una de las principales desventajas de estos dispositivos es que estos tiempos son relativamente grandes, y diferentes en cada una de sus operaciones por los factores que inciden en ellos. De esta situación se desprende una de sus principales desventajas: en el caso de sobretensiones con frentes de onda muy pendientes la tensión de ruptura de ellos es muy alta, por lo que es necesario disminuir la separación entre ellos, situación esta que hace que para sobretensiones de menor magnitud, pero de mayor duración, ellos puedan operar, aún para sobretensiones permisibles. Otro problema que se presenta con el empleo de este dispositivo es que cuando ellos operan producen una onda cortada a cero, la cual puede provocar fallas en el aislamiento secundario de los transformadores, debido a problemas en la mala distribución de tensión a lo largo de sus enrollados que producen los transitorios muy rápidos. Los entrehierros o descargadores más utilizados en la protección de transformadores de distribución son de dos tipos:

i. Los que se conectan al terminal de salida del transformador. ii. Los que se conectan a los aisladores de soporte. iii. Los que se conectan en los aisladores de suspensión.

Los descargadores que se conectan a los terminales de salida de los transformadores pueden ser de dos tipo: tipo varilla y de tres electrodos tal como se muestra en la Fig. 42.

El empleo de descargadores de tres electrodos hace la descarga más consistente para sobretensiones de gran pendiente aplanando su característica U vs t; además, por la configuración de los electrodos ellos actúan como apagachispas por el método de la elongación del arco, lo que aumenta la capacidad interruptiva de los mismos y, además, protege al bushing de los efectos térmicos de la descarga al alejar el arco de su superficie. Los que se conectan a los aisladores de soporte son por lo general de sólo dos

electrodos y los que se conectan a los aisladores se suspensión son del tipo de tres electrodos con apagachispas. Para su empleo en este tipo de aislador la unión entre los aisladores debe ser rígida perdiendo así éstos una de sus características principales. Pararrayos.- Hay dos aspectos muy importantes para lograr una protección efectiva de un transformador mediante el uso de pararrayos: su selección y su instalación. Para garantizar la confiabilidad de la protección que se puede obtener con un pararrayos en una instalación dada la selección adecuada del mismo es una condición necesaria pero no suficiente. La instalación del pararrayos debe ser, en primera instancia, lo más cerca posible del equipo a proteger, esto es fundamentalmente por el hecho de que si son instalados más allá de la zona permisible, existirá el peligro de que para las tensiones de impulso, especialmente para aquellas de


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frente muy escapado, en el equipo protegido la tensión reflejada alcance valores superiores a los permisibles. Lo antes señalado se puede apreciar con exactitud en el siguiente caso. El pararrayos de la Fig. 43 a) tiene una tensión de descarga de 600 kV y en el sistema incide una onda de impulso de 1,2/50 µs de 1200 kV de tensión pico, con la velocidad de traslación que le corresponde a una línea aérea (300 m/µs).

Como la señal viaja a 300 m/µs el tiempo que requerirá ella para viajar del pararrayos al transformador es de 0,1 µs, por lo tanto, la tensión en el pararrayos alcanzará un valor de 100 kV cuando la misma comienza a llegar al transformador. En el transformador la señal será reflejada duplicando prácticamente su valor dado que la impedancia característica del transformador (ZT3) es mucho mayor que la de la sección de línea que hay entre el pararrayos y el transformador (ZT2). La razón de crecimiento de la tensión en el transformador es por lo tanto de 2000 kV/µs. La onda reflejada por el transformador alcanzará al pararrayos cuando hayan transcurrido 0,1 µs más, instante de tiempo para el cual en el pararrayos la tensión debido a la onda incidente es de 200 kV. A partir de este momento a la onda incidente se le sumará la onda reflejada, haciendo que la tensión en el pararrayos crezca también a razón de 2000 kV/µs, por lo que transcurridos 0,1 µs más la tensión en el pararrayos alcanzará los 600 kV y por lo tanto operará. Cuando el pararrayos opera, solamente hace 0,3 µs que la onda de tensión ha llegado al transformador, y como en él ella crece a razón de 2000 kV/µs la tensión será de 600 kV.

Una vez que el pararrayos opera, el mismo se comporta teóricamente como un cortocircuito, por lo en él se producirá una reflexión de la onda de polaridad contraria a la que le está llegando en ese momento. Esta onda reflejada de polaridad contraria es de 2000 kV/µs también, y al viajar hacia el transformador demorará 0,1 µs, instante de tiempo parar el cual la señal de tensión hace 0,4 µs que llegó al transformador existiendo en los terminales del mismo 800 kV; comenzando a partir de este instante de tiempo la función protectora del pararrayos


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disminuyendo la tensión aplicada al transformador de la forma indicada en la Fig. 40. La variación de la tensión en el pararrayos al arribar la onda reflejada por el transformador se puede apreciar en el oscilograma de la Fig. 41. La variación de la tensión en el interruptor sigue un proceso parecido pero con la condición que en el mismo se puede considerar que no hay cambio de impedancia y por lo tanto no habrá reflexión de ningún tipo. En la Fig. 43 b) se muestra un ejemplo similar al mostrado en la Fig. 43 a) pero reduciendo la distancia entre el pararrayos y los equipos protegidos a la mitad con lo que disminuye la tensión máxima que llega a quedar aplicada a ellos. Como se ha podido apreciar en la función protectora del pararrayos tiene una importancia primordial la distancia entre él y el equipo a proteger. y la razón de crecimiento de la onda de impulso puede calcularse a través de la expresión 3.10:

………………………….………………………….. 3.10

donde: Ux .- Tensión en los terminales del equipo situado a una distancia X del pararrayos. UP .- Tensión en los terminales del pararrayos.

dU /dt.- Razón de crecimiento de la onda de tensión. X .- Distancia entre el pararrayos y el equipo protegido. V .- Velocidad de traslación de la onda de tensión.

La tensión UP en los terminales del pararrayos, tal y como se muestra en la Fig. 45, estará dada por:

………………………………..…. 3.11 donde:

Ur - Tensión residual del pararrayos. Ut - Caída de tensión en la resistencia de puesta a tierra del pararrayos. Uz1 - Caída de tensión en el cable de conexión entre la línea y el pararrayos. Uz2 - Caída de tensión en el cable de conexión entre el pararrayos y la puesta a tierra.

La ecuación 3.11 puede entonces escribirse, sustituyendo en función de la corriente de descarga del pararrayos y las resistencias e impedancias involucradas de la siguiente forma:

……………………………… 3.12

donde : I..- Corriente de descarga del pararrayos. Rd .- Resistencia de descarga del pararrayos. Rt .- Resistencia de puesta a tierra del pararrayos. LZ1 y Lz2.- Inductancia de los cables de conexión del pararrayos. di/dt.- Pendiente de la corriente.

Tema 4.

Coordinación de aislamiento en líneas y subestaciones.

Tema 4. Coordinación de aislamiento en líneas y subestaciones. Enero 2010

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4.1. Introducción. La elección de las características que deben reunir los aislamientos de los equipos e instalaciones de alta tensión exige un conocimiento previo tanto de los esfuerzos dieléctricos a que van a estar sometidos en servicio como del comportamiento de los diferentes tipos de aislamientos frente a dichos esfuerzos. Este conocimiento es fundamental para realizar una correcta coordinación de los aislamientos que permita conocer en cada caso el riesgo de avería por fallo dieléctrico de dichos aislamientos. Cualquier metodología que se quiera aplicar para realizar la coordinación del aislamiento eléctrico debe tener en cuenta algunos factores fundamentales y sus influencias sobre el soporte del aislamiento ante los esfuerzos a que va a estar sometido:

a. Polaridad de la sobretensión. En la mayoría de geometrías de electrodos que se encuentran en las instalaciones de alta tensión el conductor energizado sufre un mayor esfuerzo que el conductor puesto a tierra. En aislamientos al aire, si el electrodo con mayor esfuerzo está cargado positivamente, se plantea que la tensión de descarga en el intervalo será menor que si el electrodo con mayor esfuerzo estuviera cargado negativamente. Esto es porque la propagación del fenómeno de ionización sucede más fácilmente bajo esfuerzo positivo que negativo.

b. Forma de onda de la sobretensión. Para los impulsos de frente lento la rigidez del aislamiento externo depende más del frente del impulso que de su cola. Sin embargo, para impulsos de tipo rayo la tensión de descarga del aislamiento decrece con el incremento de duración de la cola.

c. Naturaleza del aislamiento. Es preciso distinguir si se está trabajando con aislamiento externo, interno, autorregenerable y no autorregenerable. Generalmente el aislamiento externo es autorregenerabie y el interno no autorregenerable.

d. Condiciones atmosféricas en el aislamiento externo. Las tensiones de cebado en los intervalos de aire dependen del contenido de humedad y densidad del aire. La soportabilidad del aislamiento se incrementa con la humedad absoluta del aire y disminuye con la densidad. El efecto del viento tiene influencia en el diseño del aislamiento, especialmente en el caso de las líneas aéreas que emplean cadenas de aisladores. Por otro lado, la contaminación atmosférica condiciona la soportabilidad del aislamiento en las condiciones de servicio continua.

e. Estado físico. Otros factores que influyen en la fortaleza del aislamiento son: el envejecimiento, las fatigas mecánicas, las deformaciones, los efectos químicos, etc.

La metodología de coordinación de aislamiento que se desarrolla en este tema se fundamenta en lo expuesto en el libro Coordinación de aislamiento en redes de alta tensión que ha sido un documento básico para la elaboración de esta monografía, la cual a su vez se fundamenta en la norma europea UNE-EN 60071-2 que se define como una guía de aplicación para la selección de los niveles de aislamiento de instalaciones para sistemas trifásicos. Esta guía maneja los siguientes criterios de aplicación:

i. No considera los requisitos d seguridad de las personas en las instalaciones. ii. Se aplica a sistemas trifásicos con tensión asignada superior a 1 kV. iii. Se aplica al aislamiento fase – tierra, entre fases y a longitudinal.

Se consideran además todas las clases y tipos de esfuerzos durante el servicio del aislamiento, independientemente del nivel de tensión a que es sometido el material. 4.2.- Metodología de coordinación del aislamiento. La coordinación de aislamiento consiste en la elección de un conjunto de tensiones soportadas normalizadas que caracterizan el aislamiento de los equipos existentes en una instalación eléctrica junto con la determinación de las distancias en el aire, de manera que soporten los esfuerzos


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eléctricos a que serán sometidos tanto en condiciones normales de trabajo como bajo condiciones de sobretensiones que puedan presentarse en el sistema. Los criterios a emplear en la selección de las tensiones soportadas tendrán como fin la reducción a niveles aceptables del riesgo de avería de la instalación por fallo de los aislamientos, tanto desde el punto de vista económico como de continuidad del servicio y seguridad de las personas. Por ello, y de forma previa, será preciso determinar la causa y magnitud de las sobretensiones que pueden originarse mediante el análisis del sistema donde se incluye la selección y localización de los dispositivos para limitar las sobretensiones.


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Este esquema en resumen plantea los 4 pasos fundamentales para realizar la coordinación del aislamiento: Paso 1. Determinar las sobretensiones representativas del sistema en cuestión. Paso 2. Obtener las tensiones de soporte de coordinación y especificadas de los equipos Paso 3. Seleccionar el nivel de aislamiento normalizado para los mismos. Paso 4. Dimensionar las distancias en aire de los equipos. Las sobretensiones representativas se definen como aquellas que se supone producen el mismo efecto dieléctrico en el aislamiento que las sobretensiones que tienen lugar durante el servicio de la instalación. Las tensiones y las sobretensiones que ha de soportar el aislamiento deben determinarse en amplitud, forma y duración mediante un análisis que incluya la elección y la localización de los dispositivos para la limitación de las sobretensiones. Para cada categoría de sobretensión este análisis debe permitir determinar una sobretensión representativa que tenga en cuenta las características del aislamiento (autorregenerable o no autorregenerable). La sobretensión representativa puede caracterizarse por un valor máximo estimado, por un conjunto de valores pico o una distribución estadística de los valores pico. La tensión soportada de coordinación se define para cada categoría de tensión como el valor de la tensión soportada por el aislamiento en condiciones de servicio que cumple con los criterios de comportamiento; estos criterios son las bases sobre las que se selecciona el aislamiento para reducir a un nivel aceptable, tanto económica como operacionalmente, la probabilidad de que los esfuerzos producidos por las sobretensiones causen daños en los aislamientos o afecten a la continuidad de1 servicio. Este criterio se expresa habitualmente en términos de una tasa de falla (número de fallos por año, número de años entre fallos, riesgo de fallo, etc.) de la configuración del aislamiento. La determinación de las tensiones soportadas de coordinación consiste en fijar los valores mínimos de las tensiones soportadas del aislamiento que satisfacen el criterio de comportamiento cuando el aislamiento se somete a las sobretensiones representativas en las condiciones de funcionamiento. Estas tensiones tienen la forma de sobretensiones representativas de la categoría considerada y sus valores se obtienen multiplicando los valores de las sobretensiones representativas por un factor de coordinación (Kt). La tensión soportada especificada se define coma la tensión normalizada de ensayo que el aislamiento debe soportar para asegurar que éste cumpliré con los criterios de comportamiento cuando se someta a las sobretensiones en las condiciones reales de servicio y durante todo el tiempo de funcionamiento. Su forma es la de la tensión soportada de coordinación y su determinación consiste en convertir las tensiones soportadas de coordinación a las equivalentes en las condiciones de ensayo normalizadas adecuadas. Esto se realiza multiplicando las tensiones soportadas de coordinaci6n por factores que compensen las diferencias entre las condiciones reales de servicio del aislamiento y las de los ensayos de tensiones soportadas normalizadas. Los factores a aplicar deben compensar las diferencias en el montaje del material, la dispersión en la calidad de producción, la calidad de la instalación, el envejecimiento del aislamiento durante la vida esperada así como otras influencias desconocidas. En la práctica estos valores no pueden evaluarse individualmente y se adopta un factor de seguridad global (Ks) deducido de la experiencia. Para el aislamiento externo debe aplicarse un factor adicional (Ksi) que tenga en cuenta las diferencias entre las condiciones ambientales normalizadas de referencia y las esperadas en funcionamiento. Si no especifica otra cuestión por el fabricante el valor de Ks será igual 1,15 para el aislamiento interno, mientras que será de 1,05 para el aislamiento externo. Para los equipos que utilizan aislamiento gaseoso (GIS) en el segundo nivel de tensiones de trabajo pueden emplearse factores de seguridad más elevados, incluyendo los resultados de ensayos in-situ.


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La elección del nivel de aislamiento asignado consiste en seleccionar el conjunto de tensiones soportadas normalizadas (Uw) del aislamiento más económico, suficiente para demostrar que se satisfacen todas las tensiones soportadas especificadas. Las tensiones normalizadas más elevadas para el material se dividen en dos niveles:

i. Nivel I: Por encima de 1 kV hasta 345 kV inclusive. Este nivel cubre a la vez redes de transporte y redes de distribución de energía eléctrica.

ii. Nivel II: Por encima de 245 kV. Este nivel cubre las redes de transporte de energía eléctrica. Los valores establecidos para la tensión soportada normalizada se muestran en la Tabla 13 para el caso de corta duración a frecuencia industrial y en la Tabla 14 para impulsos normalizados.

Se define el nivel de aislamiento normalizado como el nivel de aislamiento asignado cuyas tensiones soportadas normalizadas están asociadas a la tensión más elevada para el material (Uw) como se indica en las tablas de Niveles de Aislamiento Normalizados siendo Uw el valor eficaz máximo para el cual está especificado el material en relación a su aislamiento entre otras características. Son suficientes dos tensiones soportadas normalizadas para definir el nivel de aislamiento normalizado del material:

a. Para los materiales del nivel I son suficientes la tensión soportada normalizada para impulso tipo rayo y la tensión soportada normalizada de corta duración a frecuencia industrial.

b. Para los materiales del nivel II son suficientes la tensión soportada normalizada para impulso tipo maniobra y la tensión soportada normalizada para impulso tipo rayo.

Los valores de estas tensiones se muestran en las Tablas 14 y 15. Las distancias en aire entre los conductores en tensión y elementos metálicos puestos a tierra o entre conductores de distintas fases, se determinan de forma que sus tensiones de cebado a impulsos de maniobra y tipo rayo en condiciones atmosféricas normalizadas sean iguales o mayores que las tensiones normalizadas soportadas por los equipos, empleando para ello las expresiones contenidas en las Tablas 17 y 18 para ambos niveles de tensiones de trabajo. Estos valores han sido tabulados a partir de estas expresiones, los cuales se muestran en la Tablas 19, 20 y 21. La Tabla 19 relaciona las distancias en el aire mínimas con las tensiones soportadas a impulso tipo rayo normalizadas para configuraciones de electrodo del tipo punta-estructura e incluso para los Niveles II de trabajo, para configuraciones del tipo conductor-estructura. La tabla es aplicable tanto para distancias entre fase y tierra coma para distancias en el aire entre fases (ver nota al pie de la tabla). La Tabla 20 relaciona las distancias en el aire mínimas con las tensiones soportadas a impulso tipo maniobra entre fase y tierra normalizadas para configuraciones de electrodo del tipo conductor-estructura y punta-estructura. La configuración conductor-estructura representa gran parte de las configuraciones utilizadas normalmente.


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La Tabla 21 relaciona las distancias en el aire mínimas con las tensiones soportadas a impulso tipo maniobra entre fases normalizadas para configuraciones de electrodo del tipo conductor-conductor y punta-conductor. La configuración asimétrica punta-conductor es la configuración de electrodo más desfavorable que se encuentra normalmente en servicio. La configuración conductor-conductor cubre todas las configuraciones simétricas con forma de electrodo similares en las dos fases.


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4.3. Riesgo de fallo de una instalación. Como resultado de aplicar la metodología de coordinación por una via u otra (determinista o estadísticamente) se obtendrá una solución o alternativa de diseño que, dependiendo de la amplitud y frecuencia de las sobretensiones, de la existencia o no de pararrayos y de la naturaleza del aislamiento (autorregenerable o no autorregenerable) asignará un nivel de aislamiento a cada equipo y determinará una longitud mínima de los intervalos de aire. La validez de la solución obtenida dependerá del grado de cumplimiento de las variables de diseño (restricciones) que se apliquen a la instalación.


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Conocida la distribución estadística de las sobretensiones que han de soportar los aislamientos es posible determinar el riesgo de fallo de cada uno de los equipos y elementos que componen la instalación. Consecuentemente, podría valorarse la probabilidad de que se produzca una falla en el sistema cuyo origen sea una sobretensión.El riesgo de falla en los aislamientos autorregenerables se obtendrá a partir de la función de densidad de probabilidad de sobretensiones en la instalaci6n y de la función de distribución acumulativa de las sobretensiones soportadas por el aislamiento. Los intervalos de aire se consideran como un aislamiento de este tipo. En los no autorregenerables el riesgo de falla será igual a la probabilidad de que la sobretensión en el sistema sobrepase la tensión soportada por el aislamiento. En el cálculo del riesgo de falla de un aislamiento su tensión soportada ha de ser corregida teniendo en cuenta los factores correspondientes a las condiciones ambientales y de diseño que apliquen. De forma general, cuando existen varios elementos de diferentes características el riesgo de falla del conjunto o la probabilidad de que se produzca una falta se puede calcular a partir del riesgo de cada uno de ellos mediante la fórmula:

……………………………………………….. 4.1

siendo: Pf: Probabilidad de que se produzca la falla. R: Riesgo de fallo del conjunto. Ri: Riesgo de fallo en el equipo (o intervalo de aire) i.

Tema 5. El problema de la contaminación del aislamiento eléctrico

externo.

5.1. Introducción. El trabajo del aislamiento eléctrico bajo condiciones de contaminación es un fenómeno tan complicado que no en todos los países se aplican las mismas normativas ni se exigen las mismas condiciones; de aquí que por lo

Tema 5. El problema de la contaminación del aislamiento eléctrico externo. Enero 2010

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general, cada país haya desarrollado, en la medida de sus posibilidades, un método de trabajo tanto para definir esas exigencias como para obtener un trabajo confiable del aislamiento eléctrico externo aún en las peores condiciones de contaminación. Ya desde inicios de siglo se iniciaron los estudios en esta temática, por lo que las experiencias acumuladas son amplias; aún así, en la década de los años 80, y aún en los 90, se siguen presentando y discutiendo nuevos criterios en relación a la misma. El aislamiento eléctrico, como sostén de los conductores que transmiten y distribuyen la energía eléctrica y como parte integrante de los equipos y dispositivos que integran una red eléctrica, es uno de los componentes del sistema que influye de manera notable en la confiabilidad del servicio que se presta a la población y al sector estatal. Su comportamiento por tanto, influye en la continuidad y en la calidad del servicio que se presta; puede decirse que un sistema eléctrico con un alto índice de interrupciones a causa de un mal comportamiento del aislamiento eléctrico no satisface uno de los requerimientos principales sobre el cual se diseñó. Dentro de este comportamiento es el aislamiento eléctrico externo el que está expuesto en un mayor grado a alteraciones en sus características de diseño ya que además de estar sometido a los esfuerzos mecánicos y dieléctricos permanentes y transitorios que se generan en la red, está también bajo la influencia de las condiciones ambientales. Desde los inicios del desarrollo eléctrico mundial se han registrado dificultades en la operación de los sistemas de transmisión y distribución de energía eléctrica debido al fenómeno de la contaminación. Los primeros estudios reportados sobre este tema datan del año 1907 en Italia, donde se confrontaron dificultades con la operación de los sistemas aéreos de 25 kV situados cerca de la costa. En los primeros tiempos los estudios fueron encaminados fundamentalmente a mejorar los diseños de los elementos aislantes, en tanto que el aspecto teórico quedaba relegado a un segundo plano; en la década de 1930 se dieron los primeros pasos de importancia en el estudio teórico de la contaminación. El desarrollo alcanzado por los sistemas eléctricos en la década de 1950 hizo más imperiosa la necesidad de encontrarle solución al problema, y es en este período donde se intensifican los estudios, abarcando principalmente los siguientes aspectos: • Diseño de aisladores con mejores características de operación bajo contaminación. • Desarrollo de métodos de ensayo tendientes a simular las condiciones naturales de contaminación a

que se encuentran sometidos los aisladores. • Estudio teórico del fenómeno a fin de conocer todos los factores que inciden en su desarrollo.

De manera general puede decirse que los aisladores ubicados en las líneas eléctricas aéreas siempre están expuestos a la contaminación, pues aún cuando se toman medidas con respecto a limitar o reducir las emisiones de contaminantes por parte de las fuentes industriales, la contaminación de tipo natural es prácticamente imposible de controlar, por lo que internacionalmente el trabajo investigativo se ha dirigido al diseño y selección de aislamientos adecuados así como a establecer medidas y procedimientos para su explotación, bajo las diferentes condiciones meteorológicas y de contaminación que se pueden presentar. Existen tres tipos fundamentales de contaminación: marina, industrial y desértica. La contaminación marina puede ubicarse no sólo en las inmediaciones de la costa, sino también a considerables distancias de las mismas por la acción de los vientos; la contaminación industrial tiene su aparición con el desarrollo de las industrias y los efectos contaminantes de las mismas al medio, pudiendo ser de diversos tipos, en dependencia de la fuente que la origina: química, petroquímica, metalúrgica, cemento, etc., teniendo sus particularidades cada una de ellas. Existe un caso particular de contaminación que se presenta en las zonas desprovistas de vegetación, por efecto del polvo que puede llegar a depositarse en los aisladores; esto es muy común en períodos de seca muy prolongados o durante el laboreo de las tierras. En algunos de los casos vistos el contaminante puede ser eliminado con facilidad con el uso de medidas de lavado, mientras que en


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otros como el cemento, puede llegar a formarse incrustaciones que sólo pueden ser eliminadas con el uso de agentes químicos. En su forma más general, los contaminantes constan de dos partes fundamentales: una parte eléctricamente inerte que al humedecerse no se disocia en iones, y que por lo tanto no es conductora y cuya función es darle a la capa sus características adhesivas y absorbentes, y una parte eléctricamente activa que al humedecerse se disocia y presenta por tanto características conductoras. Las partículas contaminantes que se encuentran en suspensión en el aire, y que pueden ser trasladadas por este a las cercanías de los aisladores, poseen un diámetro que se encuentra en el rango de 0,001 a 400 micrones. La magnitud y distribución de la capa de contaminante sobre la superficie del aislador no es posible determinarla con precisión debido a la diversidad de factores involucrados en el proceso. Cuando una partícula de contaminante se encuentra en las cercanías de un aislador energizado la misma está sujeta a diversas fuerzas, por lo que se moverá en una dirección resultante hasta que se deposita sobre el aislador, después de lo cual estará sometida a la acción de la lluvia, el rocío y la niebla, las cuales actuarán sobre la distribución original. Las fuerzas que actúan sobre las partículas pueden resumirse en: • Fuerza gravitacional, cuya tendencia es la de depositar las partículas más pesadas en la superficie

superior del aislador, acentuándose su efecto en la medida que aumenta el tamaño de las mismas. • Fuerza del viento, que se plantea es la de mayor incidencia; es la encargada de llevar las partículas

contaminantes a las proximidades del aislador, permitiendo que actúen el resto de las fuerzas. En su efecto tiene un papel importante las características aerodinámicas del aislador.

• Fuerza electrostática, cuyo efecto tiene una gran dependencia del estado de carga de la partícula. El efecto de esta fuerza se hace presente cuando ocurre el fenómeno de la corona, que permite bajo la polarización alterna de las tensiones de inicio, un desplazamiento efectivo de la partícula hacia las zonas de mayor intensidad de campo.

Por otro lado, la lluvia es otro de los factores de mayor incidencia en la no uniformidad de la capa de contaminante, por su efecto de lavado, en un mayor grado, sobre la superficie de los aisladores. Esto contribuye a que el nivel de contaminación de las áreas protegidas del aislador sea muy superior al del resto. Así mismo, debido fundamentalmente al efecto del lavado de la lluvia, se comprueba que las cadenas aislantes dispuestas horizontalmente, o con cierto ángulo, presentan un mejor comportamiento con relación a las cadenas verticales. Cuando la capa de contaminación depositada sobre la superficie del aislador se humedece, su comportamiento es el de un electrolito, disminuyendo su resistencia e incrementándose la corriente de filtración a través de ella. Con el aumento de la corriente se incrementa el calor generado y a su vez la temperatura de la capa contaminante, lo que hace que disminuya aún más su resistencia, debido al coeficiente térmico negativo de los electrolitos. Esta disminución de la resistencia de la capa se pone de manifiesto hasta que la temperatura alcanza el punto de ebullición, comenzando la capa a perder humedad por evaporación. En este instante la resistencia de la capa comienza lentamente a aumentar, hasta que la pérdida de humedad sea tal que la capa se seca, momento en el cual la misma alcanza rápidamente altos valores de resistencia; este fenómeno es más acentuado en las partes más estrechas del aislador, donde la densidad de corriente es superior, llegándose a formar a través de este mecanismo, zonas secas perfectamente detectables, a las cuales se les nombra bandas secas por su disposición en el aislador. El incremento en la resistencia, producido por la formación de la banda seca, hace que la corriente disminuya, pero su formación implica que la mayor parte de la tensión aplicada al aislador aparezca a través de ella, por estar aún mojado o húmedo el resto de la capa contaminante depositada sobre el aislador y por tanto poseer baja resistencia. El ancho de la banda seca varía en dependencia de varios factores: características de absorción de la capa, régimen de humedificación, lugar donde se forma la banda seca, etc. Dicha banda se sigue


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formando a través de un proceso cíclico hasta un punto en que la tensión aplicada a la misma es ligeramente inferior al valor requerido para iniciar la descarga por el aire, por lo que cualquier disminución del ancho de la banda, distorsión del campo eléctrico o el desarrollo de algún proceso de ionización provocará la descarga; el arco crecerá hasta un límite, en que dependiendo de las características del sistema éste se extingue o produce el cortocircuito del aislador. Durante años se han desarrollado diversos estudios para obtener modelos matemáticos que permitan un estudio más detallado sobre el fenómeno de la descarga del aislamiento por la contaminación; dichos modelos matemáticos presentan un compromiso entre complejidad y exactitud, ya que existen un gran número de variables de difícil obtención. La selección del nivel de aislamiento necesario para asegurar una explotación eficiente del mismo en las instalaciones eléctricas que operan bajo los diferentes ambientes que se presentan en un país o región determinada, involucra tres aspectos fundamentales: • La determinación del nivel (grado, severidad) de contaminación de la región. • La caracterización del comportamiento de los diferentes tipos y modelos de aisladores bajo las

diferentes condiciones ambientales naturales. • El procedimiento de diseño y selección del aislamiento propiamente dicho.

No en todos los países son utilizados los mismos criterios y métodos para determinar o considerar cada uno de estos aspectos; el fenómeno de la contaminación del aislamiento, su proceso y desarrollo son tan complejos, y por tanto el comportamiento del aislamiento ante este problema, que no existe una fórmula única para dar solución al mismo y cada país ha desarrollado aquellos métodos o metodología de trabajo que más eficiente, económica o factible técnicamente, le ha sido. 5.2. Caracterización del comportamiento del aislamiento eléctrico externo ante la contaminación. La caracterización del comportamiento de los aisladores ante los diferentes ambientes de trabajo permite hacer una selección inicial correcta del tipo de aislador para la región que se esté analizando; en el mundo este comportamiento se busca en lo fundamental a través de ensayos naturales o a escala de Laboratorio, siendo este último método el de mayor extensión en la actualidad. El uso de ensayos a escala natural exige un gran número de muestras instaladas y un cuidadoso trabajo de recolección que asegure el traslado de las mismas al Laboratorio para su análisis; por otro lado los ensayos a escala de Laboratorio han exigido el desarrollo de métodos con contaminación artificial, así como la obtención de las correlaciones necesarias entre los métodos de determinación del nivel de contaminación, que permiten su empleo para la selección del nivel de aislamiento. Estos ensayos tienen objetivos fundamentales y bien definidos, pudiéndose mencionar los siguientes: • Obtención de la tensión de descarga o de la tensión de soporte de los aisladores en función de una

determinada contaminación. • Determinación de la cantidad de contaminación máxima soportable para una tensión de operación dada. • Obtener las curvas características de probabilidad de falla de los aisladores. • Comparación del comportamiento de nuevos diseños y nuevos materiales para los aisladores. • Evaluación del comportamiento de los diferentes tipos de aisladores y definición del mejor en función de

la contaminación. Se plantea que existen cuatro puntos que deben ser comunes a cualesquiera de los ensayos que se realicen, y que están relacionados con: la forma de deposición de la capa de contaminante, la posibilidad de reproducir el ensayo en otro Laboratorio y la simulación de las condiciones naturales de trabajo; el cuarto punto se relaciona con que la bondad del diseño de un aislador debe ser estimada en función de la máxima contaminación que soporta a tensión nominal y no por la tensión de descarga o de soporte para una determinada contaminación.


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Los ensayos pueden ser divididos en dos grupos bien definidos según [1]: • Aquel en el cual el aislador está sujeto a una condición ambiental definida. • Aquel en el cual el aislador es cubierto por una capa de contaminación antes de aplicar la tensión.

El comportamiento de los aisladores ante los diferentes ambientes, desde el punto de vista de su función aislante, depende en lo fundamental del diseño y a la selección adecuada de los mismos de acuerdo al ambiente en que será explotado. Si se logra caracterizar las limitantes que desde el punto de vista tienen los diferentes diseños de aisladores, se podrá tener segura la elección del mejor aislador. Los parámetros fundamentales que se tienen en cuenta para el diseño geométrico de un aislador según [2] son: • Número de aletas. • Número de nervaduras. • Altura aislante. • Distancia mínima entre aletas, C. • Saliente de las aletas, p. • Espaciamiento, s. • Luz, d.

Partiendo de estos parámetros es posible definir aquellos que según [2] permiten caracterizar el perfil de un aislador: • Alternación de las aletas. • Inclinación de las aletas. • Factor de fuga, ( F.F ). • Factor de perfil, ( F.P ). • Relación espaciamiento / saliente de la aleta ( s / p ). • Relación distancia de fuga de la luz escogida / luz ( ld / d ). • Diámetro de la campana.

5.3.- Diseño y selección del aislamiento a escala internacional. Internacionalmente, se acepta por regla general la escala de clasificación de los niveles de aislamiento que expone la Comisión Electrotécnica Internacional ( C.E.I. ) en su norma CEI - 815: 2007 [2] así como el procedimiento general para la selección y diseño del aislamiento descrito en dicho documento; no obstante, cada país ha desarrollado su propia clasificación, de acuerdo a las características de su ambiente y al método de determinación empleado. En [1] el Grupo de Trabajo 04 de la CIGRE plantea como posible forma de hacer una selección preliminar la utilización del concepto de la longitud de fuga específica, requerida para aisladores en servicio bajo diferentes ambientes de contaminación, de acuerdo a los diferentes métodos de ensayo. En [2] también se presenta la aplicación del concepto de la longitud de fuga específica, que permite determinar la distancia de fuga mínima nominal según la expresión que se presenta mas abajo, teniendo en consideración el nivel de contaminación del lugar: L V kd= −λ φ φ. . donde: L .- es la distancia de fuga mínima nominal, en cm.


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λ .- es la longitud de fuga específica, según corresponde al nivel de contaminación determinado, en cm.

V φ φ− .- tensión máxima entre fases del sistema para el equipo, en kV. kd .- factor de corrección a causa del diámetro del aislador. En la determinación de la distancia de fuga mínima existen diferentes modos de realizar los cálculos al seleccionar el nivel de aislamiento en función de los ensayos de contaminación artificial; los especialistas han desarrollado métodos de calculo que tienen en cuenta la experiencia de cada país y validados como representativos de las condiciones de contaminación existentes. Por ejemplo, en Checoslovaquia se utilizaron dos métodos de ensayos de contaminación artificial: el método de la niebla salina y el de la metilcelulosa (con predeposicion de la capa de contaminante); inicialmente, según Kohoutova [3], para cada método se definía un valor de soporte, para este caso salinidad y conductividad superficial respectivamente, los que permitían a través de un factor de correlación k (obtenido a escala de Laboratorio) calcular la longitud mínima de la cadena o ristra de aisladores según la expresión:

l V / ks ≥ donde: V .- tensión de fase a tierra, en kV. k .- coeficiente que expresa la relación variable entre la tensión aplicada y la altura del aislador. En Francia, según Claverie [4], se utiliza el ensayo con Niebla Salina para obtener una salinidad de soporte mínima, que correlacionada con una longitud de fuga específica, permite realizar el cálculo de la longitud total de la cadena según la expresión: L Vt maxcadena = −φ φ λ.

El número de aisladores se calcula según la expresión:

N L Lo aisladores t fcadena aislador. /= donde: Lfaislador .- es la longitud de fuga geométrica del aislador seleccionado, en cm. En Japón [5] la selección del aislamiento se realiza a partir de los ensayos de Laboratorio utilizando el método de la Niebla Salina, definiéndose el número de aisladores según la expresión: N E k

Bo aisladores. . . .=

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donde: k 2 .- factor de seguridad = 1.1 B .- tensión de soporte del aislador seleccionado, en kV. E .- tensión máxima del sistema entre fases, en kV. En Holanda [6], a partir de las experiencias adquiridas en estaciones de ensayo a escala natural, donde el parámetro de análisis fue la ocurrencia o no de las descargas en los aisladores contaminados, se desarrolló un método directo para determinar la longitud mínima de la cadena de aisladores a utilizar. Riubrugent y colaboradores proponen en [6] un procedimiento de cálculo basado en sus experiencias a partir de las mediciones de la corriente de fuga máxima ( Ih ), realizando una evaluación estadística para obtener el riesgo de falla ( r.o.f ) por la expresión:


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( r.o.f ) = F I F I d Ip p p1 2

0

. . . .^ ^

β α α∞

∫

donde:

β = 32

( )^

Vl

p y α =

( / )

( / )

^

^

^

^

V l

V lI

I

prueba

p

h

p

donde:

( )^

Vl

prueba .- tensión de prueba.

( )^

Vl

p .- tensión máxima permisible.

I^

p .- corriente de fuga permisible. 5.4.- Evaluación económica del problema a sociado a la contaminación del aislamiento externo. Uno de los aspectos más importantes en el estudio y valoración de cualquier fenómeno, es el análisis económico asociado al mismo; en el caso de la contaminación es muy importante establecer los niveles de afectación que impone este fenómeno, dada la importancia social y económica que reviste. De manera general puede decirse que los principales costos asociados a la contaminación son: • Mantenimiento. • Pérdidas por facturación. • Pérdidas asociadas a las industrias. • Pérdidas asociadas a las corrientes de fuga.

COSTOS POR MANTENIMIENTO. Los costos por mantenimiento, debido a la deposición de contaminantes sobre el aislamiento, son costos adicionales a la actividad propia que exige la instalación; en ellos están involucrados los problemás que trae al funcionamiento normal del sistema la acumulación de polvos sobre el aislamiento, los incrementos de la actividad corrosiva y el deterioro general de los componentes del sistema. Estos costos se calculan a partir de la expresión siguiente: MCz = Cmat + Cmo + Ctrans. donde: MCz.-costo anual de mantenimiento debido a la contaminación en la zona bajo estudio. Cmat.- costo del equipo reemplazado y los materiales empleados en el trabajo de mantenimiento

realizado. Cmo.- son los costos por salario, tanto básico como complementario, e incluye el tiempo de

transportación. Ctrans.- costo de los medios de transporte empleados en cada labor. Se asume igual a 0,15 Cmo.


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Otra forma de calcular este costo es considerando de forma global todos los tipos de mantenimientos realizados y afectar la expresión anterior por un factor K que tenga en cuenta la porción probable que, de estos costos totales, corresponda a la contaminación. PÉRDIDAS POR FACTURACION. Las pérdidas por facturación involucra fundamentalmente el concepto de la energía dejada de servir o no vendida debido a la contaminación . Su cálculo se realiza a través de la expresión: PFz = p . Ens donde: PFz.- pérdidas por facturación en la zona de estudio. p.- precio promedio de venta del kW.hora. Ens.- energía no vendida durante la interrupción, en kW. PÉRDIDAS ASOCIADAS A LAS INDUSTRIAS. Pueden ser utilizados tres métodos: • Relación Ventas - Energía demandada. • Relación Producción - Energía consumida. • Relación Insumo Eléctrico - Producción.

El método de la relación Ventas - Energía demandada considera la energía demandada pero no consumida,a causa de la contaminación, en cada alimentador más el factor obtenido de la propia relación ventas - energia. Es por ello que se utiliza la expresión: PIa = Ra . (Suma total de Ensa . (Ventas/Edem)) donde: PIa.- pérdidas anuales a la industria a causa de la contaminación en el alimentador. RA.- relación de la energía suministrada por el alimentador con respecto a la energía demandada por

los consumidores. Ensa.- energía no suministrada por contaminación. Ventas.- volumen de ventas anuales de cada consumidor. Edem.- energía anual demandada por cada consumidor. El método de la relación Producción - Energía consumida es similar al anterior, sólo que la relación entre ventas y energía demandada se sustituye por la relación que da nombre al método. Por ultimo, las pérdidas calculadas por la relación Insumo - Producción se obtienen por la expresión: PIa = ( Sp/Sd ) . Ens donde: Sp.- suma de las producciones correspondientes a las actividades que se desarrollan en la zona. Sd.- suma correspondiente a la demanda eléctrica


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PÉRDIDAS ASOCIADAS A LAS CORRIENTES DE FUGA. Este costo involucra las pérdidas que se producen en el sistema debido a las corrientes de fuga que circulan por la superficie del aislador contaminado, y que pueden llegar a ser tan molestas que interfieran las comunicaciones. Estas pérdidas se calculan según la expresión: PCFz = p . A.B donde: PCFz.- pérdidas por corriente de fuga en la zona. A.- número de horas con valores de humedad relativa superiores a un rango dado. B.- pérdida de potencia promedio medida en la cámara de niebla para valores de humedad relativa dada. 5.5. Evaluación económica de las alternativas de solución al problema de la contaminación del

aislamiento eléctrico externo. Desde hace varias décadas se realizan grandes esfuerzos a nivel internacional con vistas a encontrar métodos eficaces que permitan combatir el efecto de la contaminación en el aislamiento, y por tanto, encaminados a lograr el comportamiento confiable del aislamiento en los sistemás eléctricos. Los métodos más utilizados internacionalmente son: • Sobreaislamiento. • Lavado del aislamiento. • Empleo de grasas hidrófobas. • Uso de aisladores con capa semiconductora. • Eliminación de la fuente de contaminación.

Por las características de nuestro país y los costos involucrados en cada una de ellas, se recomienda analizar las tres primeras, y evaluarlas económicamente en su implementación. SOBREAISLAMIENTO. En la evaluación del costo de este método se involucran los siguientes factores: a. costo de la maño de obra ( Cmo ). b. costo por transporte ( Ctrans ). c. costo de la interrupción del suministro de energía para realizar el sobreaislamiento ( Co ). d. costo adicional por incremento del aislamiento (Csa).

La expresión que define este cálculo será: CAtsa = CAsa + (Cmo . Ne) + Ctrans + Co . 1/L donde: CAsa = Csa . (N.F.Ne/L) + Cnt . Ne/L + CBIL / L Ne.- número de estructuras en la líneas. L.- longitud de la líneas. N.- número de ristras por fase. F.- número de fases. Cnt.- costo adicional por robustecimiento mecánico de la estructura. BIL.- costo por elevar el nivel básico de aislamiento a impulso ( NBAI )de los equipos de la línea. LAVADO DE AISLADORES.


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En el lavado con chorro de agua a presión el costo se calculará por la expresión: CAlc = ( Cmo + Ca + Ctrans ) . E/L + Ceq . 1/L donde: Ca.- costo del agua y del material empleado para realizar el lavado. E.- número de veces al año en que se ejecuta el lavado. Ceq.- costo del equipo para efectuar el lavado. APLICACION DE GRASAS. La evaluación de este método se hará por: Cag = ( Cg + Cmo + Ctrans + Co + Cr ) . G/L donde: Cg.- costo de la grasa empleada = Q.N.F.Ne.S Q.- cantidad de grasa requerida por aislador. S.- costo del kilogramo de grasa. Cr.- costo del material utilizado para remover la grasa. G.- número de veces que se engrasa en un año. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. [1]. CIGRE SC 33, Working Group 04 " A critical comparison of artificial pollution test methods for H.V.

insulators ", Electra No. 64, pp. 117 - 136. [2]. CEI Publicación 815: " Guía para la selección de aisladores en condiciones de contaminación", 1986. [3]. Kohoutova, D. " Selection of insulators used in the CSSR for polluted areas ", report presented at the

Colloquium of CIGRE SC No. 33, pp. A.1- A.4, London, June 1977. [4]. Claverie, P. " The principies applied by Electricite de France for selecting insulators in polluted areas ",

report presented at the Colloquium of CIGRE SC No. 33, pp. A.4 - A.8, London, June 1977. [5]. Nakajima, Y. " Test methods and insulation criteria ", report presented at the Colloquium of CIGRE SC

No. 33, pp. A.39 - A.41, London, June 1977. [6]. Riubrugent, J. and et. al. " CIGRE 22 - 04, Symposium 22 - 81, Stockholm 1981.

AISLAMIENTO ELECTRICO

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