OBJETIVOS
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA ELECTRNICA
OBJETIVOS
La coordinacin de aislamiento tiene por objeto comprobar si las
mquinas estn en condiciones de soportar, sin inconvenientes, su
tensin asignada, es decir, la tensin especificada en su placa de
caractersticas.
Conocer el nivel de sobretensiones que pueden existir en la red
para poder comprender su nivel de aislamiento.
Utilizar las mejores protecciones cuando sea necesario para un
determinado equipo o circuito.
Escoger el nivel de soporte a las sobretensiones, de los
diversos componentes de la red, entre las tensiones de aislamiento
que permiten satisfacer las exigencias que se han determinado para
dicho equipo o circuito.
Conocer el nivel de aislamiento de los equipos o circuitos para
poderlos proteger de cualquier fenmeno ya sea transitorio o
permanente.
OBJETIVOS La coordinacin de aislamiento tiene por objeto
comprobar si las mquinas estn en condiciones de soportar, sin
inconvenientes, su tensin asignada, es decir, la tensin
especificada en su placa de caractersticas.
Conocer el nivel de sobretensiones que pueden existir en la red
para poder comprender su nivel de aislamiento.
Utilizar las mejores protecciones cuando sea necesario para un
determinado equipo o circuito.
Escoger el nivel de soporte a las sobretensiones, de los
diversos componentes de la red, entre las tensiones de aislamiento
que permiten satisfacer las exigencias que se han determinado para
dicho equipo o circuito.
Conocer el nivel de aislamiento de los equipos o circuitos para
poderlos proteger de cualquier fenmeno ya sea transitorio o
permanente.
INTRODUCCIN
La coordinacin del aislamiento es una disciplina que permite
realizar el mejor compromiso tcnico- econmico en la proteccin de
las personas y del material contra las sobretensiones que pueden
aparecer en las instalaciones elctricas, sobretensiones que pueden
tener por origen la red o el rayo.
Tiene un especial inters en la consecucin de una mayor
disponibilidad de la energa elctrica, siendo tanto ms importante
cuanto ms elevada es la tensin de la red. Para dominar la
coordinacin del aislamiento es necesario:
Conocer el nivel de sobretensiones que pueden existir en la
red.
Utilizar las mejores protecciones cuando sea necesario.
Escoger el nivel de soporte a las sobretensiones, de los
diversos componentes de la red, entre las tensiones de aislamiento
que permiten satisfacer las exigencias que se han determinado.
Este trabajo tiene por objeto permitir conocer mejor las
perturbaciones de la tensin y los medios para limitarlas, as como
las disposiciones normativas para permitir una distribucin segura y
optimizada de la energa elctrica, gracias a la coordinacin del
aislamiento. Trata esencialmente de las redes de MT y AT.
La limitacin de las consecuencias de un defecto en las redes
de
distribucin y en las mquinas (costos de la reposicin del
servicio y prdidas en la explotacin) se obtiene por la utilizacin
de dispositivos de vigilancia, denominados coordinacin de
aislamiento .
1.-Sobretensiones
Se definen como tales las perturbaciones que se superponen a la
tensin nominal de un circuito. Pueden aparecer:
Entre fases o entre circuitos distintos, y son llamadas de modo
diferencial.
Entre los conductores activos y una masa, o la tierra, y son
llamados de modo comn.
Su carcter variado y aleatorio las hace difcil de caracterizar y
slo
autoriza una aproximacin estadstica en lo que concierne a su
duracin, sus amplitudes y sus efectos.
En realidad los riesgos se sitan esencialmente al nivel de los
disfuncionamientos, de la destruccin del material y, como
consecuencia en la no continuidad del servicio. Sus efectos pueden
presentarse en las instalaciones de los usuarios.
Las perturbaciones pueden conducir a:
Interrupciones cortas (reenganche automtico en las instalaciones
de distribucin pblica MT por lneas areas).
Interrupciones largas (intervencin para el cambio de los
aislantes destruidos; ver reemplazo del material).
Los aparatos de proteccin permiten limitar los riesgos. Su
puesta en
servicio necesita la elaboracin reflexiva de los niveles
coherentes de
aislamiento y proteccin. Para ello, es indispensable una
comprensin
previa de los diferentes tipos de sobretensin.
1.1.-Sobretensiones a frecuencia industrial
Bajo esta denominacin de frecuencia industrial se reagrupan las
sobretensiones de frecuencias inferiores a 500 Hz.
Se recuerda que las frecuencias industriales ms frecuentes son:
50,
60 y 400 Hz. Sobretensiones provocadas por un defecto de
aislamiento
Una sobretensin debida a un defecto de aislamiento se manifiesta
en una red trifsica, cuando el neutro est aislado, o es
impedante.
En efecto, despus de un defecto de aislamiento entre una fase y
la masa o la tierra (dao en un cable subterrneo, puesta a tierra de
un tipo de coeficiente duracin pendiente amortiguamiento.
1.2.-Sobretensiones por ferrorresonancia
La sobretensin es entonces el resultado de una resonancia
particular que se produce cuando un circuito comporta a la vez un
condensador (voluntario o parsito) y una autoinduccin con circuito
magntico saturable (por ejemplo, un transformador). Esta resonancia
puede aparecer, sobre todo, cuando una maniobra (apertura o cierre
de un
circuito) .
1.3.-Sobretensiones de maniobra
La modificacin brusca de la estructura de una red elctrica
provoca la manifestacin de fenmenos transitorios. stos se traducen,
a menudo, por la aparicin de una onda de sobretensin o de un tren
de ondas de alta frecuencia de tipo aperidico, u oscilatorio, de
amortiguamiento rpido.
* Sobretensiones de conmutacin en carga normal
Una carga normal es esencial- mente resistiva, es decir, que
su
factor de potencia es superior a 0,7. En este caso el corte o
el
establecimiento de las corrientes de carga no plantea un
problema mayor.
El coeficiente de sobretensin (relacin de las amplitudes de la
tensin transitoria y de la tensin de servicio) vara entre 1,2 y
1,5. Sobretensiones provocadas por el establecimiento o la
interrupcin de
pequeas corrientes inductivas. Este tipo de sobretensin tiene
tres
fenmenos generadores: la supresin brusca de la corriente, el
recebado y el precebado.
De este hecho, el arco se hace inestable y su tensin puede
presentar variaciones relativas importantes, en tanto que su valor
absoluto se mantiene muy por debajo de la tensin de la red (caso
del SF 6 o del vaco). Estas variaciones de fuerza electromotriz
pueden generar en las
capacidades vecinas, parsitas.
1.4.-Sobretensiones atmosfricas
Las tormentas son un fenmeno natural, conocido por todos,
espectacular y peligroso. En el mundo se producen unas 1000
tormentas cada da. En Francia ocasionan cada ao un 10% de los
incendios, la muerte de 40 personas y de 20 000 animales, y 50 000
cortes de corriente o de telfonos.
Las redes areas son las ms afectadas por las sobretensiones
y
sobreintensidades de origen atmosfrico.
Una particularidad de los rayos es su polarizacin: generalmente
son
negativos (nubes negativas y suelo positivo). Aproximadamente un
10%
son de polaridad inversa y estos rayos son los ms violentos. A
observar que el frente de onda de la tensin del rayo, que las
normas aplican, es de 1,2 s para la tensin y 8 s para la
corriente.
Normalmente se distingue entre:
La cada directa del rayo sobre una lnea
La cada indirecta del rayo, si ste cae, en las proximidades de
una lnea, sobre una torre metlica, o lo que viene a ser lo mismo,
sobre el cable de guarda (puesto a tierra, este cable enlaza los
vrtices de la torres, y est destinado a proteger los conductores
activos de los rayos directos).
* El rayo directo
Se manifiesta por la inyeccin en la lnea de una onda de
corriente de
varias decenas de kA. Esta onda de corriente que puede fundir
los
conductores, al propagarse a una y otra parte del punto del
impacto provoca un aumento de la tensin U dada por la frmula
2 iU = Zc .
siendo i la corriente inyectada y Zc la impedancia homopolar
caractersticas de la lnea (300 a 1000 ohms).
* El rayo indirecto
Cuando el rayo cae sobre una torre, o simplemente en las
proximidades de una lnea, se generan en la red sobretensiones
importantes. Este segundo caso, ms frecuente que el rayo directo,
puede manifestarse tambin peligroso.
1.5.-Sobretensiones electrostticas
Hay otros tipos de descargas atmosfricas. En efecto, si la
mayora
de sobretensiones inducidas son de origen electromagntico,
algunas son de origen electrosttico e interesan particularmente a
las redes aisladas de tierra.
Por ejemplo, durante los minutos que preceden a la cada del
rayo, cuando una nube cargada a un cierto potencial se encuentra
encima de
una lnea, sta toma una carga de sentido contrario. Antes de que
se produzca la cada del rayo que ha de permitir la descarga de la
nube, se tiene, pues, entre la lnea y el suelo un campo elctrico
E.
Despus de la cada del rayo entre la nube y la tierra, al
desaparecer el
campo elctrico, las capacidades se descargan.
2.- La coordinacin del aislamiento2.1.-REFERENCIAS
Las primeras redes elctricas (Grenoble-Jarrie 1 883) eran
tecnolgicamente muy rudimentarias y a merced de las condiciones
atmosfricas, como el viento y la lluvia.
El viento, haciendo variar las distancias entre los conductores,
era
el origen de cebado de arcos.
La lluvia favoreca las corrientes de fuga a tierra.
Estos problemas han conducido a:
Utilizar aisladores.
Determinar las distancias de aislamiento.
Unir las masas metlicas de los aparatos a
tierra.2.2.-Definicin
La coordinacin del aislamiento tiene por objeto determinar
las
caractersticas de aislamiento necesarias y suficientes de los
diversos componentes de las redes con vistas a obtener una rigidez
homognea a las tensiones normales, as como a las sobretensiones de
origen diverso.
Su finalidad principal es la de permitir una distribucin segura
y optimizada de la energa elctrica.
Para optimizar es necesario comprender y buscar la mejor relacin
econmica entre los diferentes parmetros que dependen de esta
coordinacin:
costo del aislamiento,
costo de las protecciones,
costo de las averas (prdida de la explotacin y coste de la
reparacin), teniendo en cuenta sus probabilidades.
Emanciparse de los efectos nefastos de las sobretensiones supone
un
primer paso. Para ello es necesario atacar sus fenmenos
generadores,
labor que no siempre es simple. En efecto, si con la ayuda de
tcnicas
apropiadas, las sobretensiones de maniobra de la aparamenta
pueden
ser limitadas, en cambio, es imposible actuar sobre las del
rayo.
Es pues, necesario localizar el punto de ms dbil tensin
soportada por
el cual circular la corriente engendrada por la sobretensin, y
dotar a todos los otros elementos de la red de un nivel de rigidez
dielctrica superior.
Antes de abordar las diferentes soluciones tcnicas (mtodos y
materiales) es importante recordar lo que es una distancia de
aislamiento y una tensin soportada.
Distancia de aislamiento y tensin soportada
Distancia de aislamiento
Estas dos distancias estn directamente ligadas al afn de
proteccin contra las sobretensiones, pero sus tensiones soportadas
no son idnticas.
* Tensin soportada
Difiere, en particular, segn el tipo de sobretensin aplicada
(nivel de
tensin, frente de onda, frecuencia, duracin). Adems, las lneas
de
fuga pueden estar sujetas a fenmenos de envejecimiento,
propios del material aislante considerado, que implica una
degradacin de sus caractersticas. Los factores influyentes son
principalmente:
Las condiciones ambientales (humedad, polucin, radiaciones
UV),
Las tensiones elctricas permanentes (valor local del campo
elctrico).
La tensin soportada de distancia en el gas es funcin igualmente
de la presin:
Variacin de la presin del aire con la altura,
Variacin de la presin de llenado de un aparato.
Tensin soportada a frecuencia industrial
En rgimen normal, la tensin de la red puede presentar
sobretensiones
a frecuencia industrial de dbil duracin (fraccin de segundo a
algunas horas, segn el modo de explotacin y de proteccin de la
red).
La tensin soportada de ensayo a frecuencia industrial,
recomendada
en los ensayos de rigidez dielctrica habituales, de un minuto,
es
generalmente suficiente.
* Tensin soportada a las sobretensiones de maniobra
Las distancias sometidas a tensiones de choque de maniobra renen
cuatro propiedades fundamentales siguientes:
La no linealidad, ya mencionada, de la relacin
distancia/tiempo,
La dispersin, que hace que esta rigidez deba ser expresada en
trminos estadsticos.
La asimetra (la rigidez puede ser distinta segn que la onda sea
de polaridad positiva o negativa),
El paso por un mnimo de la curva de tensin soportada en funcin
de la duracin del frente. Cuando la distancia entre los electrodos
crece, este mnimo evoluciona segn las duraciones del frente ms y ms
elevadas. Se sita, como media, alrededor de los 250 s, lo que
explica la eleccin del frente de la onda de choque normalizada
* Tensin soportada a las sobretensiones atmosfricas
En la cada del rayo, la tensin soportada se caracteriza por
una
mucho mayor linealidad que en los dems tipos de
solicitaciones.
Principio de la coordinacin del aislamientoEstudiar la
coordinacin del aislamiento de una instalacin elctrica es, pues,
definir, a partir de los niveles de tensiones y sobretensiones
susceptibles de presentarse en esta instalacin, uno o ms niveles de
proteccin contra las sobretensiones.
Los materiales de la instalacin y los dispositivos de proteccin
son
entonces elegidos en consecuencia. El nivel de proteccin se
deduce de
las condiciones:
de la instalacin,
del ambiente,
y de la utilizacin del material.
El estudio de estas condiciones permite determinar el nivel
de
sobretensin que podr solicitar el material durante su
utilizacin. La
eleccin del nivel de aislamiento adoptado permitir asegurar
que,
frente a la frecuencia industrial y frente a los choques de
maniobra, al
menos, el nivel de aislamiento no ser nunca sobrepasado.
Frente a la cada del rayo deber realizarse generalmente un
compromiso entre el nivel de proteccin de los pararrayos
eventuales y el riesgo de fallos admisible. Para dominar bien
los niveles de proteccin aportados por los limitadores de
sobretensin, conviene conocer bien sus caractersticas y su
comportamiento.
A) Los explosores
Utilizados en MT y AT se colocan en los puntos de la red
particularmente
expuestos y a la entrada de los Centros de Transformacin MT/BT.
Su papel es el de constituir un punto dbil en el aislamiento de la
red, con
el fin de que un eventual cebado de arco se produzca
sistemticamente
en l. El primero y ms antiguo de los aparatos de proteccin es el
explosor de varillas. Estaba constituido por dos varillas
enfrentadas frente a frente, llamadas electrodos, una unida al
conductor a proteger y la otra
a tierra.
B).-Los pararrayos
Su ventaja es que no presentan corriente de fuga y evitan que la
red quede sometida a un cortocircuito fase-tierra y sin tensin
despus del
cebado.
Se han diseado diferentes modelos: pararrayos a chorro de agua,
pararrayos a gas. En las lneas que siguen slo presentamos los
tipos
ms usuales. Estos son utilizados en las redes AT y MT.
* Pararrayos a resistencia variable y explosores
Este tipo de pararrayos asocia en serie unos explosores y
unas
resistencias no lineales (varistancias) capaces de limitar la
corriente despus del paso de la onda de choque.
Despus del paso de la onda de corriente de descarga, el
pararrayo queda slo sometido a la tensin de la red. sta mantiene un
arco en el
explosor, pero la corriente correspondiente, llamada corriente
de fuga pasa por las resistencias cuyo valor ahora es elevado. Esto
hace que la corriente de fuga sea lo bastante reducida para no daar
a los explosores y pueda ser cortada al primer paso por cero de la
corriente (extincin natural del arco).
C).-Los pararrayos de xido de Zinc (ZnO)
Estn constituidos nicamente por varistancias y reemplazan, cada
vez ms, a los pararrayos a resistencias variables y explosores. La
ausencia del explosor hace que el pararrayos a ZnO sea
continuamente conductor, pero, bajo la tensin nominal de la red
protegida, esta corriente de fuga a tierra es muy dbil (inferior a
10 mA).
Su principio de funcionamiento es muy simple y se apoya en la
caracterstica fuertemente no lineal de las varistancias de ZnO.
SEGN LAS NORMAS:
Coordinacin aplicada al diseo de instalaciones elctricas
Este estudio es econmicamente tanto ms importante cuanto ms
elevada es la tensin de servicio. Tres criterios justifican esta
afirmacin:
El aumento del nmero de clientes o de la potencia
distribuida.
El aumento del coste de los fallos (costo del material a
reemplazar).
La parte, relativamente ms dbil del estudio de coordinacin en el
costo total de la instalacin.
* Consecuencias de un cebado de arco
Un fallo dielctrico (perforacin o cebado de un arco) puede
provocar:
El funcionamiento de las protecciones en el mejor de los
casos.
La destruccin de materiales en el peor de los casos.
Una interrupcin de servicio por fallo.
En AT el corte de la alimentacin que entonces se tiene puede
afectar a un pueblo entero, o una regin o a un centro siderrgico;
ello ocasiona:
un riesgo de desestabilizacin de la red,
una prdida de facturacin de energa para el distribuidor de
energa,
una prdida de produccin para los abonados industriales,
un peligro para las personas (por ejemplo en los hospitales) y
para los datos informticos.
Para evitar estos accidentes deben efectuarse unos estudios en
toda
nueva instalacin. stos permitirn realizaciones coherentes y
optimizadas frente a los riesgos. Una solucin es aumentar el nivel
de aislamiento de las instalaciones incrementando las distancias de
aislamiento.
Pero ello se traduce en un importante aumento de los costes:
doblar las distancias motiva multiplicar por ocho los volmenes y
los costes. El
sobredimensionamiento es, pues, inadmisible en AT. De aqu la
importancia de la optimizacin del equipamiento AT.
Los cortes elctricos que de ello resultan pueden, tambin, ser
de
consecuencias graves para los distribuidores de energa
(prdidas
de facturacin), para los abonados industriales (prdidas de
produccin)
y para las personas (seguridad).
En BT En la prctica, cuando ms baja es la tensin de servicio ms
limitadas son las consecuencias de una falta en el caso de
distribucin de energa. Pero el desarrollo de los sistemas y
equipamientos electrnicos est en el origen de numerosos incidentes
consecutivos a las sobretensiones.
La coordinacin de las tensiones soportadas no es pues
despreciable, an en BT y el empleo de pararrayos deber
generalizarse.
Estos son hoy en da muy aconsejables para los abonados BT
alimentados por una lnea area. Reduccin de los riesgos y de los
niveles de sobretensin Frente a las diferentes sobretensiones.
Sobretensin debida a la ferrorresonancia
El nico medio de evitarla totalmente es que 1/C.sea superior a
la
pendiente en el origen de L..i. Sin embargo, otras soluciones
son a considerar y en particular en MT donde:
Puede producirse una discordancia entre las 3 fases en el caso
de protecciones por interruptor de mando fase por fase; es
necesario buscar la mayor simultaneidad posible en la conexin de
las 3 fases de la red (aparato omnipolar).
La conexin de un transformador en vaco puede ser el fenmeno
transitorio que provoque la ferrorresonancia; para evitarlo es
necesario reducir las capacidades aproximando, por ejemplo, la
aparamenta de puesta en tensin del transformador.
La conexin de una carga previamente a la puesta en tensin es
beneficiosa. Ella interviene, en efecto, como una resistencia
de
amortiguacin, pudiendo impedir la puesta en resonancia. Poner el
neutro a tierra es tambin una solucin frente a las resonancias
fase/tierra.
Proteccin de las mquinas y de las redes industriales de AT*
Defectos principales que se pueden presentar en las redes y las
mquinas
Antes de estudiar las causas, las consecuencias y los medios
de
proteccin relativos a los principales defectos, juzgamos de
inters
recordar que stos son muy variados y pueden determinar el corte
de la
alimentacin elctrica o el disparo de una alarma.
A continuacin se resume en la tabla :
Rels de proteccin
Definicin
Los rels de proteccin son dispositivos, ms o menos complejos,
que deciden una accin, generalmente la apertura de un interruptor
automtico, si aparece un defecto en la red, en la alimentacin o en
la mquina controlada.
Estos dispositivos se denominan rels, porque son unos
intermediarios entre una magnitud fsica controlada y un disparador.
En AT son del tipo indirecto, por cuanto toman la informacin a
travs de captadores (TC, TT, toroides).
La utilizacin de rels directos en AT va disminuyendo porque
son
rudimentarios, imprecisos y de difcil instalacin debido a las
distancias de aislamiento que hay que respetar. Ante un defecto,
los rels dan la
orden de apertura a los interruptores automticos.
Un rel puede ser:
de alimentacin propia (o autnomo): toma la energa de la red a
travs de captadores.
de alimentacin auxiliar: toma la energa necesaria para su
funcionamiento de una fuente auxiliar de tensin (continua o
alterna).
Rels de corriente mxima para la deteccin de
cortocircuitos entre fases.
Un rel :
Un rel tiene:
un ajuste de intensidad.
una temporizacin, en la que el instante inicial corresponde al
de rebase del umbral y el final a la orden de apertura del
interruptor automtico.
MODO DE CONTROLAR DIGITALMENTE
A continuacin se muestra un grafico:
ESQUEMA DE CMO PROTEGER UN CIRCUITO
INTERVENCIN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNTICAS
El aislamiento del equipo elctrico de Media Tensin* Resistencia
de aislamiento
Aislante elctrico es toda sustancia cuya conductividad es tan
pequea, que el paso de la corriente a travs de ella es prcticamente
despreciable. Esta pequea corriente se llama de fuga.
Un dielctrico es un medio que tiene la propiedad de que la
energa requerida para establecer en l un campo elctrico
(solicitacin dielctrica) es recuperable en su totalidad o en parte
como energa elctrica.
El establecimiento del campo o la aplicacin de la tensin van
acompaados por corrientes de desplazamiento o de carga. El vaco es
el nico dielctrico perfecto conocido; los materiales aislantes son
dielctricos imperfectos y cuando estn sometidos a una tensin
presentan:
corrientes de desplazamiento,
absorcin de corriente,
paso de corriente de conduccin.
Es prcticamente imposible fabricar mquinas con aislantes
absolutos. Todos son parcialmente conductores. Si se establece una
diferencia de potencial constante entre dos electrodos que
atraviesan el aislante, o situados sobre cada una de sus caras, se
establecen corrientes, (en general muy dbiles), que atraviesan y
contornean los aislantes,
designndose por resistencia total del aislamiento al cociente de
la tensin aplicada por la corriente total.
Expresndose habitualmente en megaohmios.
* Rigidez dielctrica
Se define por el mximo gradiente de potencial que puede soportar
un aislante sin que se produzca la descarga disruptiva (perforacin
del dielctrico).
Si aumentamos progresivamente la tensin alterna aplicada entre
electrodos que atraviesa un aislante, o aplicada entre sus caras,
observaremos en principio fenmenos luminosos (efluvios, penachos),
seguidamente y de repente, una ruptura, es decir, una descarga
disruptiva de un electrodo a otro, a travs o a lo largo del
aislante.
* Factor de impulso
La forma caracterstica de las sobretensiones de origen
atmosfrico (ondas unidireccionales de frente muy escarpado y cola
relativamente larga) ha conducido a considerar una rigidez
dielctrica de choque o de impulso que, segn la naturaleza del
aislante y segn la forma de la onda, es netamente ms elevada que la
rigidez dielctrica de un minuto.
Se ha definido un factor de impulso que es el cociente entre la
rigidez dielctrica de choque (valor de cresta) por la rigidez
dielctrica a frecuencia industrial (ensayo de un minuto; valor de
cresta).
Recientemente se ha definido tambin un valor de correlacin, que
es la relacin, no entre las tensiones de ruptura, sino entre las
tensiones mantenidas.
* Constante dielctrica
La constante dielctrica de un aislante es la relacin de la
capacidad del condensador construido con este aislante como
dielctrico, a la que tendra este mismo condensador siendo el
dielctrico reemplazado por el vaco.
* Prdidas dielctricas
Un aislante sometido a un campo elctrico alterno da lugar a
prdidas. Estas prdidas dependen de la naturaleza del aislante, del
campo especfico, de la temperatura y de la frecuencia.
Medidas de aislamiento
En un transformador de potencia, la medida de la resistencia de
aislamiento tiene como fin dar una til informacin sobre su estado,
con objeto de poner al descubierto posibles defectos de aislamiento
y determinar por medio de mediciones peridicas la probable
degeneracin del mismo.
En general, la resistencia de aislamiento:
Decrece con:
El aumento de tamao de la mquina,
La mayor longitud del cable.
El aumento de temperatura (la resistencia de aislamiento con el
transformador fro es mayor que en caliente y asimismo mayor que
cuando los bobinados estn sumergidos en aceite).
Aumenta con:
La mayor tensin de la mquina como consecuencia del mayor grosor
del material aislante. Los valores obtenidos son siempre relativos,
debido a que se ven influenciados por:
la humedad,
los deterioros en los aislantes,
-- la suciedad.
Medida de la resistencia de aislamiento en transformadores
un aumento apreciable de la resistencia de aislamiento durante
el tiempo de aplicacin de la tensin denota un buen estado de los
aislantes de devanados en caso de transformadores.
un aislamiento pobre denota humedad, suciedad y/o
deterioros.
Es fundamental indicar por tanto, las condiciones de medicin,
tanto del
transformador (si est totalmente desconectado o incluye parte
del embarrado y cables) as como la de su temperatura, la del
ambiente y humedad relativa.
a).- Mtodo de un minuto
Consiste en aplicar un voltaje de prueba al aislamiento
mantenindolo constante durante un minuto. Se toma la resistencia de
aislamiento al final de este periodo. Si la resistencia disminuye
durante la aplicacin de la tensin, el aislamiento denota posible
humedad o contaminacin superficial. Si por el contrario la
resistencia de aislamiento aumenta constantemente durante este
periodo, denota que el aislamiento est seco y sus superficies estn
limpias, sin contaminacin.
b).- Mtodo tiempo-resistencia
Cuando se aplica un voltaje de prueba a un aislamiento y la
intensidad disminuye durante la comprobacin, aumenta la resistencia
aparente del aislamiento, este incremento puede ser bastante rpido
al principio, pero pueden pasar varios minutos antes de que llegue
a un valor constante,
particularmente s el aislamiento est seco.
Por otra parte, si el devanado est hmedo o sucio, la corriente
de conduccin ser alta y la corriente de absorcin ser
comparativamente baja (vase curva tpica tiempo-resistencia).
Es evidente que la curva tiempo-resistencia puede servir como
indicacin del estado del aislamiento. No ser necesario trazar toda
la curva, sino anotar la lectura un minuto despus de la aplicacin
de la tensin de prueba y a los diez minutos posteriores. A veces, a
este mtodo, se le ha dado el nombre de prueba de absorcin
dielctrica por estar basado en el efecto de la absorcin de un buen
aislamiento comparado con otro contaminado por suciedad, grasa,
etc. tomando el nombre de ndice de absorcin dielctrica, la relacin
de dos lecturas tiempo-resistencia.
c).- Mtodo de las dos tensiones
Es la aplicacin de un voltaje de prueba durante un tiempo
conocido, por ejemplo, un minuto, midindose la resistencia de
aislamiento aparente una vez finalizado este tiempo. Se eleva
posteriormente el voltaje hasta un nivel determinado, midindose la
resistencia de aislamiento al final del mismo.
**
Ensayos dielctricos normalizados
En la prctica industrial sobre transformadores, su aislamiento
se ha previsto desde antiguo, para poder soportar, durante un
minuto, dos veces la tensin nominal a la frecuencia industrial.
Esta regla, a pesar de su origen emprico, ha resultado
satisfactoria en su empleo y no ha sufrido ms que ligeras
modificaciones (para las muy bajas y muy altas tensiones).
Corresponde al ensayo dielctrico llamado de tensin aplicada.
Consiste en poner sucesivamente cada devanado a un potencial
uniforme de frecuencia industrial estando los otros devanados
unidos entre ellos y a masa, as como una tierra. Este ensayo dura
un minuto.
CONDICIONES QUE INFLUYEN EN EL AISLAMIENTOEfectos por el medio
ambientea).- Efectos de las condiciones atmosfricas Las
caractersticas de la tensin de ruptura del aislamiento en el aire
vara con las condiciones atmosfricas, la tensin de ruptura vara en
forma inversa con la temperatura, pero directamente con la presin
baromtrica y de igual forma con la humedad absoluta.Densidad del
aire=17.95*Presin Baromtrica / (4600 + Temperatura)b).- Efectos de
las condiciones metereolgicasPrcticamente no se toman en cuenta
directamente a excepcin de precipitaciones que humedecen las
superficies aislantes, la cual se prev con pruebas de impulso de
bajo humedad; tambin los vientos influyen indirectamente debido al
transporte y deposicin de los contaminantes, siendo los ms nocivos
los vientos sostenidos suaves de velocidades de velocidades entre 2
y 5 m/s y las rfagas de torbellinos de ms de 10 m/s.c).- Efectos de
las condiciones de ensuciamiento Por diversas causas existen en la
naturaleza slidos en suspensin, lquidos atomizados, gases estables
libres, etc., que pueden ser transportados fcilmente por el viento
y gracias al campo elctrico y gravitacional se depositan en las
superficies aislantes, todo ello con ayuda de la humedad las lneas
de fuga disminuyen producindose flash over, esto no es muy notorio
en atmsfera seca pero si en presencia de la humedad.Efectos fsicos
por serviciosa).- Esfuerzos electromecnicos Los principales
esfuerzos que soportan el aislante son debidos al peso, viento,
electrodinmicos que aparecen por intervalos de tiempo debidos a
fallas en el aislamiento o fallas por cortocircuitos.b).- Por
abrasivos o impactos Tambin son afectados por erosin natural
causados por el viento, polvo que ocasionan porosidad en las
superficies aislantes facilitando la contencin de la humedad y
contaminacin, por ello la seleccin del material se basa en la
garanta que ofrecen los proveedores.c).- Por temperatura Los
materiales dielctricos slidos, generalmente son malos conductores
de calor, por lo tanto no les afecta la temperatura, pero si los
accesorios metlicos de anclaje y ensamblaje que necesita el
aislamiento para su fijacin estos se dilatan contraen por calor,
las cuales en alta tensin llevan juntas de dilatacin.Para el caso
de aislamiento externo que usan pelculas semiconductoras de
estabilizacin de potencial se debe tener en cuenta que para
temperaturas de operacin por encima de los 25oC, se pueden producir
un empalamiento trmico acompaado de corrientes progresivas que
destruyen el aislamiento y derivan en fallas francas.d).-
Envejecimiento por descargas parciales Afectan principalmente a los
aislamientos internos en son cuales los puntos calientes van
hacindose ms fuertes en funcin al gradiente de fuente de descargas,
con el consecutivo debilitamiento y predisposicin a la falla
franca.Caractersticas de la tensin de ruptura en los aisladores de
los portabarras La suspensin y aparatos aisladores juegan un papel
importante en la coordinacin de aislamiento enana subestacin, no
solo estableciendo el nivel de aislamiento sino tambin determinando
la magnitud de sobretensiones que soporta toda la
subestacin.Impulso caracterstico para aislamiento de
transformadoresEl transformador es el equipo ms caro en una
subestacin por ello es importante proteger adecuadamente para las
condiciones ms crticas. El nivel de aislamiento puede determinarse
con una tensin de ruptura de el mayor aislamiento interno
(aislamiento a tierra), la tensin de ruptura de del menor
aislamiento (aislamiento entre espiras y arrollamientos), la tensin
de flash over en los bushings o la combinacin de estos.Los bushings
representan una parte vital del aislamiento del transformador,
estos impulsos de flash over pueden ser cuidadosamente considerados
al establecer el nivel de aislamiento en un transformador.Las
caractersticas voltaje-tiempo de los bushings de un transformador
difieren de las caractersticas de voltaje-tiempo de la aislamiento
interna del transformador en general, el bushings tendr un mas alto
flash over y el tiempo de falla ms reducido que el aislamiento
interno del transformador.Para sobretensiones externas las
precauciones consisten en dimensionar las tensiones de carga y de
ruptura de los diversos conjunto de de instalaciones, tambin los
tensiones de ignicin y residual de pararrayos.La coordinacin es el
primer anlisis como funcin de proteger la instalaciones ms
importantes del sistema tales como transformadores, de modo que las
sobretensiones externas sean desviadas a tierra sin causar dao al
sistema, los dems elementos del sistema deben ser aislados con
valores ms elevados, es por ello que loa aislamientos de dos
elementos de la instalacin tiene que ser coordinados.A causa de la
coordinacin de aislamiento los diversos aislantes de una instalacin
son divididas en grupos para las cuales se designan valores
diferentes de rigidez dielctrica. El conjunto de valores de tensin
de un grupo forman un nivel de aislamiento tambin llamado nivel de
tensin.Los aisladores se dividirn en tres niveles: Aislamiento
interno; comprende todo aislamiento slido, lquido y gaseoso, puntos
de interrupcin abiertos con separadores, puntos de difcil acceso
separados por ejemplo con aceite, gas, etc.
Aislamiento externo; comprende las diversas separaciones de las
fases a tierra, para instalaciones de seguridad, un nivel mnimo es
establecido por medio de interruptores de sobretensiones o
protegidos por disipadores de seguridad.Se puede coordinar
aislamiento para dos niveles, soportados y de proteccin el primero
se3 refiere a un exceso de aislamiento en aisladores, cable y
dispositivos de proteccin siendo u nivel soportado, descarga cero;
el nivel de proteccin formados por los dispositivos de seguridad
representa un nivel de descarga mxima a cien por ciento.
Designaremos al nivel superior como S y al inferior como P. Como la
proteccin no debe responder a sobretensiones internas, la amplitud
de la proteccin se determina por el lmite superior de las
sobretensiones internas. La amplitud del aislamiento se determina
por la seguridad con que se despeja incursiones de rayos en el
sistema.MTODOS PARA EL DISEO DE COORDINACIN DE AISLAMIENTOS
La determinacin de los valores de coordinacin consiste en
establecer los valores ms bajos de tensiones soportadas por el
aislamiento, que satisfaga los criterios de comportamiento del
aislamiento, cuando estas aislaciones son sometidas a
sobretensiones representativas de las condiciones de servicio.Los
inconvenientes que ocasionan las sobretensiones ya sea interna o
externa han obligado a una mejor aplicacin de las prcticas de
coordinacin de aislamientos a partir de las siguientes premisas. La
definicin de una onda normalizada de impulsos por sobretensiones
internas .
Un modelo que defina el comportamiento del aislamiento durante
ciertos impulsos .
La definicin de pruebas de impulso normalizadas.a).-Mtodo
convencionalSe adopta un margen de seguridad entre la sobretensin
mxima y la mnima tensin soportada por el aislamiento, ste mtodo
adolece de tcnica debido a que la margen de seguridad es
arbitrario, adems que la mxima sobretensin y la mnima tensin de
sostenimiento del aislamiento son magnitudes aleatorias lo cual no
es aceptable para el diseo de costosos aislamientos en extra y
ultra altas tensiones, pero se puede aplicar en alta tensin.b).-
Mtodo estadsticoEs una funcin probabilstica de la naturaleza
aleatoria de las sobretensiones y del sostenimiento del aislamiento
,debida a una sobretensin previsible con cierta frecuencia de
aparicin ,lo cual tambin puede permitir calcular el costo anual
capitalizado de las fallas a partir del costo de una falla; para
evaluar el riesgo falla se debe considerar todas las causas de las
sobretensiones importantes ,y para cada una de las causas
consideradas (frecuencia de aparicin anual ,distribucin estadstica
de amplitudes ) ,incluyendo sobretensiones internas ,con todos
estos datos se puede calcular el riesgo falla con los siguientes
pasos:1. Se determina la densidad e probabilidad de falla del
aislamiento como un producto de las ordenadas de ambas
caractersticas.
2. por integracin de dicha funcin se obtiene el riesgo falla, el
cual podr reducirse al incrementar el aislamiento(a mayor
costo).
3. El aislamiento podr elegirse en el punto ptimo del costo por
aislamiento y costo derivativo del riesgo de falla. Donde:
Probabilidad de disrupcin. : Sobretensin. Densidad de probabilidad.
: Densidad de probabilidad de falla debida a una sobretensin U.
Riesgo de falla. El clculo de R se aplica a elementos de
aislamiento monofsico, para ms elementos en paralelo con la misma
fase se multiplicar por el nmero de elementos en paralelo.c).-
Mtodo estadstico simplificadoSe necesita definir a las
sobretensiones y los valores de sostenimiento como simples valores
o probabilidades en lugar de buscar las funciones enteras de
probabilidad admitiendo que estas leyes son gausianas con una
desviacin tpica de valor conocido.
d).-Mtodo determinstico
Este mtodo se utiliza generalmente cuando no se dispone de
informacin estadstica proveniente de ensayos para determinar el
ndice de fallas del equipamiento en servicio.
Con este mtodo, no se hace referencia al ndice de falla eventual
del equipamiento en servicio.
e).-Mtodo estadstico
Este mtodo est basado en la frecuencia de ocurrencia de una
causa dada, la distribucin de probabilidad de sobrentensiones
relativa a esta causa y la probabilidad de descarga de la
aislacin.
Igualmente se puede determinar el riesgo de falla combinando
simultneamente, para cada aplicacin de tensin, las probabilidades
de descarga y de sobretensin teniendo en cuenta la naturaleza
estadstica de las sobretensiones y de la descarga mediante
procedimientos adecuados, por ejemplo utilizando los mtodos de
Monte-Carlo.
Se puede obtener el ndice de indisponibilidad del sistema debido
a fallas del aislamiento repitiendo los clculos para diferentes
tipos de aislamientos y diferentes configuraciones del sistema.
f).-Mtodo estocstico.
g).-Mtodo analtico.
Este mtodo est basado en el anlisis cientfico de ocurrencia de
una causa dada, la distribucin de probabilidad de sobrentensiones
relativa a esta causa y la probabilidad de descarga de la
aislacin.CONCLUSIONES
La coordinacin del aislamiento intenta encontrar un justo
equilibrio entre la fiabilidad de los materiales, desde el punto de
vista dielctrico, por una parte y de su dimensionamiento, y por
tanto su costo, por la otra parte.
La explicacin que se ha hecho en este documento muestra la
complejidad de los parmetros que intervienen en este tipo de
anlisis.
Los progresos realizados en el conocimiento de los fenmenos
permiten hoy en da conseguir una acrecentada fiabilidad en las
instalaciones, autorizando una optimizacin en el plano econmico y
en el de los esfuerzos en servicio.
La continuidad de la explotacin y la limitacin al mnimo estricto
de las
consecuencias de todos los tipos de defectos, se consiguen con
una
eleccin adecuada de los dispositivos de proteccin y su correcta
regulacin.
El equipo elctrico de una instalacin deber estar aislado entre s
y con respecto a tierra. Esta caracterstica de aislamiento no es
constante y puede deteriorarse con el paso del tiempo por razones
de humedad, por la accin de inclemencias atmosfricas, contaminacin,
etc.
Es aconsejable el estudio del aislamiento a lo largo de la vida
de los equipos, para poder prevenir su envejecimiento prematuro y
sus averas.
Los equipos de proteccin de las redes MT y AT garantizan una
funcin
de seguridad primordial. Deben de garantizar la proteccin de
materiales
y personas asegurando a la vez la disponibilidad de la energa.
Sus
disfunciones pueden producir a los usuarios prdidas
econmicas
importantes. Es, por tanto, esencial que respondan a altas
exigencias de
fiabilidad, seguridad, disponibilidad y mantenibilidad. Para
esto, los equipos de proteccin deben de tener ciertas
caractersticas tcnicas e
industriales, de las que, las ms significativas, son:
Proteger bien las redes y equipos MT y AT, gracias a algoritmos
adaptados a las diversas funciones de proteccin.
Ser fciles de instalar, de utilizar y mantener.
Ser fiables en un entorno severo.
Ser capaces de autovigilarse,
Tener una posicin de repliegue.
La utilizacin cada vez ms frecuente de pararrayos coadyuva a un
mejor
dominio del nivel de proteccin, especialmente por la mejora de
sus
caractersticas y su fiabilidad.
Actualmente, teniendo en cuenta el desarrollo de las
comunicaciones digitales (bus) y de la supervisin, la funcionalidad
de los equipos de proteccin llega hasta el dominio del mando y
control para una gestin ptima de la distribucin
elctrica.BIBLIOGRAFA
Cuadernos Tcnicos Merlin Gerin La proteccin de los cableados
de
BT contra las perturbaciones electromagnticas en los centros de
alta tensin y muy alta tensin.
F. VAILLANT.
*Sobretensiones y coordinacin del aislamiento. CT n 151. D.
FULCHIRON.
*Clculo de las corrientes de cortocircuito. CT n 158.
Proteccin de redes por el sistema
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y SAUTRIAU. Cuaderno Tcnico
Schneider n 2.
Puesta a tierra del neutro en una
red industrial AT. MM. SAUTRIAU y
TOUCHET. Cuaderno Tcnico
Schneider n 62.
Control, mando y proteccin de
motores MT. J.Y.BLANC. Cuaderno
Tcnico Schneider n 165.
Normas:
CEI 60: Tcnica de los ensayos en alta tensin.
CEI 71-1: Coordinacin del aislamiento: definiciones, principios
y reglas.
CEI 71-2: Coordinacin del aislamiento: gua de aplicacin.
CEI 99: Pararrayos.
CEI 56: Interruptores automticos de corriente alterna de alta
tensin.
CEI 60-1: Tcnicas de los ensayos en alta tensin - 1 parte.
CEI 71: Coordinacin de aislamiento.
CEI 76-1: Transformadores de potencia - 1 parte: Niveles de
aislamiento y ensayos dielctricos.
CEI 99-1: Pararrayos - 1 parte.
NF C 17100: Proteccin contra el rayo - Instalacin de pararrayos:
reglas.
ING MsC. PERCY CUEVA RIOS.
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA.
ALTA TENSIN
ALTA TENSIN