U N E X P O UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ASIGNATURA: TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Puerto Ordaz, Febrero de 2010 Prof. Ing. MSc. Raidel Coa
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“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ASIGNATURA: TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN
SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA
Puerto Ordaz, Febrero de 2010
Prof. Ing. MSc. Raidel Coa
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ASIGNATURA: TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN
1. CONCEPTOS GENERALES
2. ESFUERZOS DIELÉCTRICOS (TENSIONES Y SOBRETENSIONES)
3. TENSIÓNES NORMALIZADAS
4. ORIGEN (FUENTE) DE LOS ESFUERZOS DIELÉCTRICOS
5. FACTORES QUE AFECTAN LOS ESFUERZOS DIELÉCTRICOS
6. MÉTODOS PARA CONTROLAR LOS ESFUERZOS DIELÉCTRICOS
8. MÉTODOS DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
9. EJEMPLO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
7. PROCEDIMIENTO PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
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ASIGNATURA: TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN
1. CONCEPTOS GENERALES
1.1 Coordinación de aislamiento
La coordinación de aislamiento se define según la norma IEC 71-1, como la selección de
la rigidez dieléctrica (nivel de aislamiento normalizado) del aislamiento del
equipamiento eléctrico con relación a las tensiones que pueden aparecer en el sistema
donde seran instalados, tomando en cuenta las caracteristicas del medio ambiente y de
los dispositivos de protección disponibles.
1.2 Aislamiento externo
Las distancias en aire atmosférico y las superficies en contacto con aire atmosférico del
aislamiento sólido de los equipos, las cuales estan sujetas a esfuerzos dieléctricos y a los
efectos de las condiciones atmosféricas y otras externas, como la contaminación, la
humedad, etc.
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1. CONCEPTOS GENERALES
1.3 Aislamiento interno
Las partes sólidas líquidas ó gaseosas del aislamiento de los equipos que estan
protegidas de los efectos de las condiciones atmosféricas y otras externas.
1.4 Aislamiento autorecuperable
Aislamiento que recupera completamente sus propiedades aislantes, despues de una
descarga disurptiva.
1.5 Aislamiento no autorecuperable
Aislamiento que pierde sus propiedades aislantes ó no las recupera completamente,
despues de una descarga disurptiva.
NOTA: Las definiciones 1.4 y 1.5 sólo aplican cuando la descarga disruptiva es causada por un voltaje de prueba durante una
prueba dieléctrica. Sin embargo, las descargas que ocurren en servicio pueden causar que un aislamiento recuperable pierda parcial
ó completamente sus propiedades aislantes.
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ASIGNATURA: TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN
1. CONCEPTOS GENERALES
1.6 Voltaje nominal de un sistema
Un valor aproximado (adecuado) de voltaje utilizado para designar o identificar un sistema
1.7 Voltaje más elevado de un sistema
El valor más elvado del voltaje de operación que ocurre bajo condiciones normales de
operación en cualquier punto del sistema.
1.8 Voltaje más elevado para el equipo (Um)
El valor r.m.s más elevado del voltaje (fase a fase) para el cual se diseñó el equipo.
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2.1 Tensión a frecuencia de potencia
Voltaje a frecuencia de potencia que tiene un valor r.m.s. constante y es aplicado de
manera continua sobre cualquier par de terminales de una configuración de aislamiento.
2.2 Sobretensión temporal
Sobrevoltaje a frecuencia de potencia de relativa larga duración (1 min).
NOTA: El sobrevoltaje puede ser no amortiguado o ligeramente amortiguado. En algunos casos la
frecuencia puede ser algunas veces mas pequeña o más grande que la frecuencia de potencia.
2. ESFUERZOS DIELÉCTRICOS (TENSIONES Y SOBRETENSIONES)
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2.3 Sobretensión transitoria
Es un sobrevoltaje de corta duración (pocos milisegundos o menos) generalmente muy
amortiguado, que puede o no ser oscilatorio.
NOTA: Los sobrevoltajes transitorios pueden ser seguidos (inmediatamente) de sobrevoltajes temporales. En tales
casos los dos sobrevoltajes son considerados como eventos separados.
Frente lento Generalmente unidireccional, con un tiempo pico de 20 µs< Tp (Tr) < 5000 µs y
una duración de cola de T2 (Th) < 20 ms
Frente muy rápido Generalmente unidireccional, con untiempo pico de Tf < 0.1, duración total < 3 ms y
con oscilaciones superimpuestas a frecuencias de 30 kHz < f < 100 MHz
Frente rápido Generalmente unidireccional, con un tiempo pico de 0.1 µs< T1 (Tr) < 20 µs y una
duración de cola de T2 (Th) < 300 µs
2. ESFUERZOS DIELÉCTRICOS (TENSIONES Y SOBRETENSIONES)
Tipos de sobretensiones transitorias
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2.4 Sobretensión combinada
Consiste en dos componentes de voltajes aplicadas simultaneamente entre cada par de
terminales de un aislamiento fase a fase (o longitudinal) y tierra. Este tipo de sobre voltaje
se clasifica por la componente del valor pico mas alto.
2. ESFUERZOS DIELÉCTRICOS (TENSIONES Y SOBRETENSIONES)
Rango de frecuencias Grupo
Frecuencia Designación Tipo de sobretensión (causa)
I 0.1 Hz – 3 kHz Baja frecuencia Temporales
II 50 Hz – 20 kHz Ondas de frente lento Maniobra
III 10 Hz – 3 MHz Ondas de frente rápido Rayos
IV 100 Hz – 50 MHz Ondas de frente muy rápido Reencendido
Rango de frecuencias asociados a los tipos de sobretensiones
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2. ESFUERZOS DIELÉCTRICOS (TENSIONES Y SOBRETENSIONES)
Formas y magnitudes típicas
de las sobretensiones
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Característica Voltaje-Tiempo
2. ESFUERZOS DIELÉCTRICOS (TENSIONES Y SOBRETENSIONES)
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3.1 Sobretensión temporal
Un voltaje senosoidal con frecuencia entre 48 y 62 Hz, y una duración de 60 s.
3.2 Impulso de maniobra
Un voltaje de impulso que tiene un tiempo pico de 250 µs y un tiempo de valor medio de
2500 µs.
3. TENSIÓNES NORMALIZADAS
3.3 Impulso de rayo
Un voltaje de impulso que tiene un tiempo de frente de 1.2 µs y un tiempo de valor medio
de 50 µs.
3.4 Impulso de maniobra combinado
Voltaje de impulso combinado que tiene dos componentes de igual valor pico y polarida
opuesta.
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3. TENSIONES NORMALIZADAS
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4. ORIGEN (FUENTE) DE LOS ESFUERZOS DIELÉCTRICOS
Se origina de la operación del sistema, bajo condiciones normales de
operación Tensión a frecuencia de potencia
Se puede originar de fallas, operaciones de maniobra (rechazo de carga, condiciones
de resonancia, ferroresonancias) y por combinación de estas. Sobretensión temporal
Pueden tener cualquier origen mencionado arriba. Ocurren entre fases de un sistema
(fase a fase) o sobre la misma fase en partes separadas de un sistema (longitudinal) Sobretensión combinada
Se puede originar de fallas, operaciones de maniobra o rayos directos sobre los
conductores de las líneas de transmisión aéreas. Sobretensión de frente lento
Se puede originar de fallas, operaciones de maniobra o rayos. Sobretensión de frente rápido
Se puede originar de fallas u operaciones de maniobra en
subestaciones aisladas en gas (GIS). Sobretensión de frente muy rápido
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5. FACTORES QUE AFECTAN LAS TENSIONES Y SOBRETENSIONES
5.1 Tensión a frecuencia de potencia y sobretensión temporal
Cuando se está en presencia de “contaminación” la respuesta del
aislamiento externo con respecto a los voltajes a frecuencia de potencia llega a
ser importante y puede determinar el diseño del aislamiento externo.
Generalmente ocurren descargas sobre el aislamiento cuando la superficie
está contaminada y llega a humedecerse (ligera llovizna, nieve, niebla, etc) sin
un efecto de lavado significativo.
Para propósitos de normalización se han especificado cuatro niveles
cualitativos de contaminación. Para cada nivel de contaminación se describen
algunos ambientes típicos correspondientes.
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5. FACTORES QUE AFECTAN LAS TENSIONES Y SOBRETENSIONES
5.1 Tensión a frecuencia de potencia y sobretensión temporal
Depósito de contaminante
Proceso de
Contaminación
Humedecimiento
Formación de bandas secas
Descargas superficiales
Descarga superficial total
Formación de capa o película contaminante sobre la superficie del
aislamiento. La formación de la capa depende de: tamaño y
composición de partículas, fuerzas sobre la partículas, acabado
superficial del aislamiento y propiedades aerodinámicas del
aislamiento.
Humedecimiento de la película contaminante por procesos
naturales como la niebla, rocío ó llovizna ligera y disolución del
contaminante. Creación de una capa de conductividad electrolítica
casi contínua a lo largo de la longitud del aislador.
Circulación de corriente (I) de varios microamperes. Disipación de
energía por “efecto Joule”, se manifiesta con la evaporación de las
zonas húmedas. Durante el incremento de la dispación de energía
debido al incremento de la resistividad se forman las bandas
secas. Formación de descargas eléctricas en la superficie del
aislamiento, debido a los esfuerzos concentrados en los extremos
de las bandas secas.
Aparición de un arco de potencia cuando las descargas llegan a
encadenarse. Esto implica la circulación de una corriente de varios
kiloamperes.
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5.2 Sobretensión de frente lento (maniobra)
Cuando se energizan o reenergizan líneas de transmisión se pueden generar
sobretensiones severas. La magnitud de éstas depende de muchos factores,
tales como: la longitud de la línea de transmisión, las impedancias de la línea
de transmisión, el grado de compensación, la ubicación de los equipos de
compensación y la existencia de carga remanente previa a la energización de
la línea de transmisión. La magnitud de estos transitorios es el principal factor
que determina los niveles de aislamiento para sistemas de transmisión de EHV
y UHV, por lo tanto la reducción de su severidad tiene ventajas economicas de
relevante importancia.
5. FACTORES QUE AFECTAN LAS SOBRETENSIONES
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5.2 Sobretensión de frente lento (maniobra)
5. FACTORES QUE AFECTAN LAS SOBRETENSIONES
En fuentes puramente inductivas (sin líneas conectadas a barras
energizadas) existe una tendencia claramente definida entre el nivel de falla
de la fuente y la magnitud de las sobretensiones. En fuentes complejas
(lineas conectadas a barras energizadas) no existe una tendencia general,
debido al gran número de parámetros que interactuan en la red de la fuente.
Configuración de la fuente
La carga remanente en una línea de transmisión previa a su recierre tiene un efecto
significativo en las sobretensiones producidas. El valor de la carga atrapada es
altamente dependiente del equipo conectado permanentemente a la línea,
determinando de esta manera el mecanismo de declive.
Carga remanente
Las características de la línea de transmisión (longitud, impedancia, etc) al
momento de su energización afectan directamente la magnitud de las
sobretensiones producidas.
Características de la línea
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5.2 Sobretensión de frente lento (maniobra)
La compensación con reactores shunt tienen un efecto doble cuando se situan en el
lado receptor de las líneas de transmisión, el cual contribuye a la reducción de la
severidad de las sobretensiones originadas por energización.
Compensación
Produce voltajes a través del acoplamiento mutuo de la primera fase que cierra
con respecto a las otras dos. Este efecto de pre-carga produce un voltaje más
grande que el voltaje de fase a través de los contactos de las otras dos fases del
interruptor.
Efecto “Pole Scatter”
La magnitud del voltaje transitorio es mucho más dependiente sobre el valor
instantaneo del voltaje a frecuencia de potencia en el cual cierra el interruptor. Si
las tres fases del interruptor cerraran a voltaje cero, entonces únicamente
ocourriría un voltaje transitorio muy pequeño.
Efecto “Point-on-wave”
5. FACTORES QUE AFECTAN LAS SOBRETENSIONES
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5.3 Sobretensión de frente rápido (rayo)
La magnitud y el índice de incremento de las sobretensiones de frente rápido
debido a los impactos de rayos sobre las líneas de transmisión es una
consideración importante para el aislamiento de la subestación y la estrategia
adoptada para limitar estos sobrevoltajes.
El número de rayos que afectan a una línea de transmisión es normalmente
relacionado con el nivel isoceraunico, el cual es definido como el número de
días durante en el año en el que se oye un trueno en una determinada
localidad.
5. FACTORES QUE AFECTAN LAS SOBRETENSIONES
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5.3 Sobretensión de frente rápido (rayo)
5. FACTORES QUE AFECTAN LAS SOBRETENSIONES
Un “Backflashover” ocurre como resultado del impacto de un rayo sobre la torre ó el
cable de guarda de una línea de transmisión, la corriente pasa a tierra a través del acero
de la torre causando una diferencia de tensión entre la torre (mensula) y los conductores
de la línea. La magnitud de esta corriente puede variar desde unos pocos kA hasta
superar los 200 kA.
Flameo inverso
“Backflashover”
La mayoría de las líneas de transmisión son equipadas con cables de guarda. El propósito
de estos cables es desviar los impactos de rayo de los conductores energizados y proveer
un apantallamiento. Cualquier impacto de rayo que pueda penetrar el apantallamiento se
denomina impacto directo “Direct strike” ó falla del apantallamiento.
Impacto directo
“Direct strike”
Como el efecto del impacto de un rayo viaja desde el punto de impacto
hacia la subetación, el frente de onda generado se retardará debido a las