Generalidades en la Coordinación de Aislamiento.

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Generalidades en la Coordinación de Aislamiento.

Caso: Redes de Distribución Eléctrica.

Mantener índices de confiabilidad óptimos en las redes eléctricas de distribución es una ardua labor y su complejidad incrementa si las mismas se encuentran ubicadas en lugares poco favorables para su normal desempeño, esto debido a que deben proveer calidad y seguridad en el suministro de energía a los consumidores de la forma más eficiente posible.

Las sobretensiones tienen una gran influencia en el funcionamiento de las redes de distribución.  Al momento se han establecido múltiples estándares y guías para la protección de las líneas de distribución eléctricas en media tensión ante este fenómeno.

 Las sobretensiones no son más que un aumento del voltaje en los sistemas de energía eléctrica con valores superiores al voltaje de referencia, que es el máximo voltaje nominal de operación del sistema.

Ante estas sobretensiones se pueden presentar interrupciones de servicio en la red eléctrica y pueden ser provocadas por sobretensiones de origen interna o externa. Estas se tornan fundamentales estudiarlas tanto como los fenómenos atmosféricos (Externa), así como las sobretensiones de maniobra, armónicos o  frecuencia industrial (Internas) con la finalidad de encontrar el punto óptimo de la coordinación de aislamiento.

Figura 1.- Sobretensiones en una onda AC. [1]

La coordinación del aislamiento es el proceso, a partir del cual es  posible seleccionar la rigidez dieléctrica de los equipos en función de las solicitaciones esperadas durante su tiempo de vida útil. Sin lugar a dudas, un cuidadoso estudio influye fuertemente en disminuir el valor de la energía no suministrada.

 Factores para la coordinación de aislamiento en las redes de Distribución eléctrica:

Para el proceso a realizar para la coordinación del aislamiento se deben considerar diversos factores, Entre estos:

•        Definición del desempeño admisible.

•        Caracterización de las sobretensiones y de las solicitudes ambientales

•        Selección de los niveles de aislamiento

•        Aplicación de medidas de protección contra sobretensiones.

•        Verificación de las características del aislamiento.

•        Evaluación del desempeño.

El aislamiento de un determinado equipo en una red eléctrica está sujeto a diversas solicitudes dieléctricas y ambientales, clasificándolas de acuerdo con su duración temporal:

Tensión de régimen permanente a frecuencia industrial: En la  red, la tensión puede sufrir variaciones que pueden rondar hasta el 10% en relación a la tensión nominal del sistema. Para efectos de coordinación de aislamiento, la red eléctrica será caracterizada por su tensión más elevada.

Una sobretensión de esta amplitud es soportada por el aislamiento, sin embrago en lugares donde las condiciones ambientales son adversas, el aislamiento podrá estar en peligro, por ejemplo con la acumulación de  contaminación salina en los aisladores.

Sobretensión temporal: Desde el punto de vista temporal, estas se definen con un inicio en los 20 ms, pudiendo extenderse hasta una hora, teniendo la frecuencia igual a la frecuencia industrial. Estas son originadas debido al cierre o apertura de equipos de maniobra u ocurrencia de defectos en  la red eléctrica.

La amplitud de la sobretensión es determinada a través de la filosofía de conexión del neutro a tierra o la existencia de condiciones resonantes.

De modo que al mitigarse las sobretensiones temporales, se pueden  adoptar medidas en sentido de parametrizar las restricciones operacionales.

Sobretensiones transitorias de frente lenta: Los tiempos de subida de estas sobretensiones se encuentran entre los 20 y los 5000 μs, teniendo estos valores resultantes como transitorios reglamentados en las diferentes normas para las maniobras de conexión.

Figura 2.- Formas de ondas estandarizadas para sobretensiones tipo maniobra y rayo [2]

La sobretensión transitoria de frente lento también podrá ser inducida por una descarga atmosférica cuando la esta ocurre en una línea aérea cercana a ella.

Figura 3.- Impacto de una descarga atmosférica sobre una fase.

La inclusión de descargadores de sobretensión y/o otros dispositivos, permitirán la diminución de transitorios de conexión.

Sobretensiones transitorias de frente rápido: Desde el punto de vista temporal, estas sobretensiones son muy rápidas variando entre los 0,1 e 20μs. Estas sobretensiones tienen origen en descargas atmosféricas, pudiendo ser amenizadas a través del control de blindaje, descargadores de sobretensiones y con conexiones a tierra eficaces.

En un sistema de distribución, lo que determina los niveles de aislamiento es esencialmente el comportamiento de la red a una descarga atmosférica.

Las descargas atmosféricas afectan las redes eléctricas de distribución de dos formas: descarga directa a línea aérea o a los elementos de la línea; o sobretensiones inducidas cuando una descarga atmosférica ocurre en una línea cercana a la línea.

Figura 4.- Impacto de una descarga atmosférica sobre el cable de guarda.

Las líneas aéreas de distribución, tienen niveles de aislamiento elevados de tal forma que, cuando la red este expuesta a sobretensiones transitorias de maniobra, estas no constituyan ningún riesgo para el aislamiento de la red.

Los niveles de aislamiento serán seleccionados de acuerdo con el nivel de importancia de la instalación en la red de distribución [3].

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Figura 5.- Valores característicos de las diferentes sobretensiones en un sistema eléctrico [4].

Estudio de la Coordinación del Aislamiento

En la realización de estudios de coordinación de aislamiento, es fundamental definir las solicitaciones dieléctricas, el nivel de aislamiento y los niveles de protección de los dispositivos de control de sobretensiones, los cuales se definen del siguiente modo:

• La definición del nivel de aislamiento, tal como es indicada en la norma CEI 60071-1, se habla de los términos de las tensiones soportables tanto para descargas atmosféricas y la de frecuencia industrial.

• En la mayor parte de los análisis, la sobretensión se obtiene utilizando el valor más alto calculado, a través de una simulación digital.

A partir de la tensión máxima de descarga obtenida para la onda de corriente 8/20 μs, con una amplitud de 10 kA, se determina el nivel de protección de los descargadores de sobretensiones,

• Para el aislamiento de los transformadores MT/BT se considera un margen de seguridad del 15%; para los transformadores AT/MT se debe tener un margen de seguridad del 20%. De esta manera, se considera que un transformador funciona mal cuando:

Vcw ≥ Vrw/Kp    (Ecuación 1)

Donde:

Kp = 1,15 e 1,20 respectivamente para los transformadores MT/BT y AT/MT;

Vcw – Tensión soportable de coordinación.

Vrw – Tensión soportable especificada por el equipo [3].

Procedimiento para determinar la coordinación del aislamiento.  

Figura 6.- Procedimiento general de la coordinación de aislamiento eléctrico [5].

Niveles de aislamiento normalizados en la red de distribución

Los niveles aislamiento para equipos colocados en subestaciones y transformadores para postes de distribución, están especificados en la tabla 1 de acuerdo con la CEI. Los niveles de aislamiento especificado para las líneas aéreas de AT y MT, constan en la tabla 2 En las líneas de 10, 15 y 30kV se implementa un nivel de aislamiento (250kV) que tiene por objetivo, según la compañía distribuidora de distribución, reducir fuertemente los disparos de las líneas por sobretensiones originadas por descargas atmosféricas. [6] [3]

Tabla 1.- Niveles de aislamientos normalizados para equipos de la EDP Distribución.
Tensión Nominal (KV)	Tensión más elevada para el  equipo (KV)	Tensión soportable a frecuencia industrial, húmedo (KV)	Tensión soportable a descarga atmosférica, seco (kV)
60	72,5	140	325
30	36	70	170
15	17,5	38	95
10	12	28	75

 

Tabla 2.- Niveles de aislamientos normalizados para líneas aéreas de la EDP Distribución.
Tensión Nominal (KV)	Tensión más elevada para el  equipo (KV)	Tensión soportable a frecuencia industrial, húmedo (KV)	Tensión soportable a descarga atmosférica, seco (kV)
60	72,5	140	325
30	36	70	250
15	17,5	38	250
10	12	28	250

 

Tabla 3.- Niveles de soporte para transformador de distribución. [7]
Tensión Nominal (KV)	BIL (KV)	Bajo frecuencia (KV rms)
		1 min seco	10 seg. húmedo
14,4	95	35	30
14,4	110	50	45
24,9	150	60	50
34,5	150	70	60
46	250	105	95

 

Debe tenerse en cuenta que el equipo de conmutación (IAT, IAR, etc.) no puede adoptar un nivel de aislamiento para descargas atmosféricas de 250 kV. El equipo debe estar protegido contra sobretensiones por medio de pararrayos [6] [3].

A su vez, se presentan las distancias mínimas de aislamiento y las líneas de escape especificadas según IEC.

Referencias:

[1]  FULCHIRON D, Sobre voltajes y coordinación de aislamiento en Medio Voltaje Cuaderno Técnico  Nº 151 Shneider Electric febrero 1995. 

[2]  Temas de ingeniería Eléctrica, Editorial Félix Varela, La Habana, 2004. Dr.C Juan L. Almirall.

[3] DRE-C10-001/N (2008). “Instalaciones Eléctricas”, Guía de coordinación de  aislamiento, Reglas de ejecución y montaje, EDP, 2008.

[4]  RAMIREZ VAQUEZ, José, Protección de sistemas eléctricos contra sobre intensidades, 1997.

[5] IEC 60071-1. Insulation Co-ordination Part 1: Definitions, principies and rules. Ginebra. International Electrotechnical Comission, 1993. CEI/IEC 71-1: 1993.

[6]  A. C. MACHADO E MOURA, “TAT Texto General”, (Apuntes Técnicos) de Alta tensión, 2008.

[7]  MANUEL COOPER, Cooper  Power  System, Protección Eléctrica en Sistemas de Distribución, sección B, protección de sobrevoltajes, 2003.

Paginas Consultadas:

http://www2.aneel.gov.br/arquivos/pdf/modulo8_revisao_1_retificacao_1.pdf.

http://www3.fi.mdp.edu.ar/clagtee/2017/articles/02-019.pdf

https://ie2mmo.wordpress.com/2017/10/06/t08-descargadores-de-sobretension-2/