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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.
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].
 |
| Añadir título |
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/
