Alumnos:Moisés Ticona AlanocaJaime Vara Feria

APANTALLAMIENTO

Docente:Ing. Mikhail Carcausto T.

1. APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES ELECTRICAS

Conjunto de elementos instalados en la subestación que protegen equipos elementos y personas ante una descarga

atmosférica.

Distancia de descarga : Sm

Altura Mínima

Corriente de retorno : Ic

Riesgo de falla de apantallamiento : Rt

Porcentaje de exposición : Pe

Tensión critica de flameo :CFO

Altura efectiva de apantallamiento : He

Nivel Ceraunico : Ni

Densidad de rayo a tierra : GFD

1.1. DEFINICIONES

1.3. MAGNITUD DE DESCARGA

P(I)=

= Mag de corriente Pico de una descarga

atmosférica(KA)

P(I)= Probabilidad de que la corriente pico de una

descarga atmosférica sea excedida

NOTA= Mag media de una descarga es de 31 KA

1.4. NIVEL CERAUNICO

- Número promedio de días al año en los que se presentan tormentas eléctricas.- En la práctica: Número de días al año en los que se escuchan tormentas eléctricas

MAPA CERAUNICO DEL MUNDO

1.5. DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA

Se define como el numero promedio de descargas en un área de un kilometro cuadrado durante un periodo de un año

GFD = 0.12NiDonde:GFD: Densidad de rayos a tierra.Ni: Nivel ceráunico

1.6. REDES DE DETECCIÓN DE DESCARGAS

Red de sensores dispersos en distintos lugares los cuales detectan las interferencias electromagnéticas generadas por descargas a tierra. Mediante el uso de sistemas de triangulación, sistemas de posición por satélite (GPS).

1.7. DISPOSITIVOS APANTALLADORES

Cables de guarda

Puntas

Mástiles

1.7.1 Cables de guarda

son cables ubicados por encima del equipo a proteger y conectados a la tierra a través de los pórticos de la S/E.

Características-Protegen a lo largo de todo el cable-Económicos por lo livianos-Aprovechan los pórticos como estructuras de soporte

- Las corrientes de rayo viajan en ambas direcciones del cable por lo que la corriente que debe disipar cada estructura se reduce

- La impedancia característica presentada al rayo es menor reduciendo el riesgo de flameo inverso en las cadenas de aisladores

- Mejora las condiciones de disipación de la malla de puesta a tierra al transportar parte de la corriente de secuencia cero en casos de cortocircuito a tierra.

Colocadas sobre pórticos

Características- Tendencia a aumentar las corrientes de retorno (atractivas a los rayos)- Mayores problemas de disipación de la corriente - A medida que aumenta el área de la subestación, el apantallamiento con puntas se hace

más costoso- Protección efectiva con distancias relativamente cortas

1.7.2. Puntas

Requieren estructura propia

Características- Costosos- Para proteger equipos aislados (sin pórticos aledaños)- Las mismas de las puntas

1.7.3. Mástiles

1.8. MÉTODOS DE DISEÑO

Utiliza ángulos verticales para determinar la cantidad, posición y altura de los cables de guarda o mástiles.Los ángulos están determinados por el grado de exposición a las descargas, la importancia de la subestación y área ocupada.α = 45°Β = 30° a 45°

Diseño: A mayor altura, menor ángulo para bajar tasa de falla

1.8.1 Ángulos fijos

- Se supone una altura del mástil o cable y su localización

- Se determina el cubrimiento para equipos y barrajes según los ángulos supuestos

- Se incrementa la altura o ubicación de cables o mástiles, se relocalizan o se adicionan

Ángulos fijosProcedimiento

MÉTODO DE LAS CURVAS EMPIRICAS

El método de las curvas empíricas plantea el uso de un modelo electrogeométrico. Este proporciona datos estadísticos para construir las figuras que relacionan las dimensiones de la subestación con un nivel de exposición o porcentaje de rayos no apantallados efectivamente Pe.

APLICACIÓN DE LAS CURVAS EMPIRICASSe selecciona un nivel de exposición Pe generalmente para diseños se considera una

exposición del 0.1%

Se determina la altura de cables, equipos o estructuras a proteger, y el ancho del campo, S, o la distancia horizontal desde el mástil o cable de guarda hasta el equipo a proteger, X, según sea el caso(tipo de apantallamiento)

Se asigna una altura del cable de guarda o mástil h.

Se calcula el valor y, el cual se localiza en la ordenada de la grafica empírica aplicable y se desplaza horizontalmente hasta interceptar la curva aplicable, en dicha intersección se desciende verticalmente hasta interceptar el eje de las abcisas, en el cual se obtendrá la distancia S o x hasta la cual se tendrá cobertura del apantallamiento

En caso de no tener el cubrimiento deseado, se modifican la altura o localización de mástiles o cables de guarda o se adicionan elementos hasta lograr el resultado deseado.

Por ejemplo, en la figura A.2, los puntos de datos desde el estudio original parecen ser trazado a valores de x / h de 0,25; 0,6 y 1,0. En el valor de x / h igual a 0,6, d / h se estima en 0,46 para una tasa de fracaso 0,1%.

DATOS

h=𝑑

(𝑑 /h )

FORMULAS

𝑥=𝑥 /h⋅ h (𝑠=𝑠 /h ⋅h )

Para d = 20 pies:

𝑑/h=0.46 ft

𝑥 /h=0.6 ft

h=20/0.46=43.48 ft𝑥=0.6×43.48=26.09 ft𝑦=43−48−20=23.48 ft

Del mismo modo, los valores de d / h pueden estimarse para otros valores de x / h y la x resultante y los valores de y representan gráficamente para cada valor seleccionado de d para cada tasa de fracaso. Estos valores particulares

se ilustran en la figura 4Pie – 0.3048 - metros

𝑦=h−𝑑

Figura 4 Solo rayo mástil proteger solo anillo de objetos - la exposición del 0,1%. Altura del mástil por encima de un rayo objeto protegido, y, como una función de separación horizontal, x, y la altura del objeto protegido, d

𝑥=7.95 m𝑦=7.16 m

Mástiles

Requieren estructura propia por lo que resultan ser los mas costoso.

MODELO ELECTROGEOMETRICO

Sistema analítico para determinar la efectividad de los apantallamientos.

En él se pretende que los objetos a ser protegidos sean menos atractivos a los rayos que los elementos apantalladores, esto se logra determinando la llamada «distancia de descarga» del rayo a un objeto.

Este concepto consiste en imaginar una esfera de radio igual a la distancia de descarga, rodando sobre la superficie de la S/E y sobre los objetos de la misma.

El propósito es que los únicos objetos que toque la esfera sean los dispositivos apantalladores.

MODELO ELECTROGEOMETRICO

En la practica, para determinar gráficamente la altura de los dispositivos de protección, se trazan arcos de circunferencia, con radio igual a la distancia de descarga de los objetos a ser protegidos, de tal forma que los arcos sean tangentes a la tierra y a los objetos, o tangentes entre objetos.

MODELO ELECTROGEOMETRICO

la distancia de descarga determina la posición de la estructura apantalladora con respecto al objeto que se quiere proteger, tomando en cuenta la altura de cada uno con respecto a tierra.

El 50% de las empresas utilizan el método electrogeométrico para diseñar el apantallamiento de S/E.

MODELO ELECTROGEOMETRICO

Determinación de la distancia de descarga critica

Determinar la distancia de descarga para una corriente Crítica dada por:

Corriente critica de flameo Impedancia Característica Altura promedio Radio Corona

Distancia de descarga Critica La distancia de descarga critica Sm corresponde al ultimo paso del líder de la descarga atmosférica para la corriente critica.

Donde:

Ic: corriente critica de flameo, KA

K: coeficiente que tiene en cuenta las diferencias de descarga:

a) 1.0 para cables de guarda

b) 1.2 para mástiles y punta pararrayos.

Corriente critica

Ic, es aquella que ocasiona una sobre tensión peligrosa para el aislamiento. Está dada por la expresión:

(1) o por, (2)

Donde:

Z0: impedancia característica del barraje a proteger, Ω

BIL: tensión soportada al impulso tipo atmosférico del aislamiento del equipo, KV

CFO: tensión critica de flameo de los aisladores, KV.

Corriente Critica de Flameo

La (1) es empleada cuando el apantallamiento protege un barraje soportado por aisladores de poste o equipos. El valor de BIL será el determinado para la instalación según los estudios de coordinación de aislamiento.

La (2) es empleada cuando el apantallamiento protege un barraje soportado por cadenas de platos aisladores. El valor de CFO puede ser estimado por la formula de Anderson (1987):

Donde:

CFO: tensión critica de flameo inverso de los aisladores, KV

W: longitud de la cadena de aisladores, m.

Donde:

hav: altura promedio del conductor, m

r: radio del cable, m

Rc: radio corona, m.

Impedancia Característica

Impedancia Característica

Altura promedio

Donde:

hmax: altura de conexión del cable de fase, m

hmin: altura en la mitad del vano, m

Cuando hmin no se conoce puede calcularse empleando la expresión:

Donde:

L: longitud del vano, m

ϖ: constante que relaciona la flecha máxima Yc con la longitud del vano L; 0.02 y 0.06.

Radio Corona

Según el anexo C de la IEEE Std 998 (1996). Para un solo conductor por fase:

Donde:

Rc: radio corona, m

hav: altura promedio del conductor, m

E0: gradiente de corona limite, se toma igual a 1500KV/m

Vc: máxima tensión soportada por el aislamiento de los aisladores para una onda de impulso con polaridad negativa con un frente de onda de 6µs, KV.

la solución de Rc es la siguiente:

En el caso de un haz de conductores por fase el radio corona se calcula como:

Donde:

Rc: radio corona para un solo conductor, m

R0: radio del haz de conductores, m.

Donde:

r: radio del subconductor, m

l: distancia entre dos conductores adyacentes, m.

Cable de guarda

La S/E puede apantallarse con cables de guarda ubicados cada campo o cada dos campos.

Limite práctico para la separación entre cables de guarda adyacentes

El limite practico para la separación entre cables de guarda adyacentes esta dado por:

Mástiles

El uso de puntas no es recomendable debido a las razones expuestas anteriormente. Sin embargo, cuando se haga apreciablemente costoso apantallar con cables de guarda, puede resultar suficientemente seguro el apantallamiento con mástiles.

Diseño con un solo mástil

Para el cálculo de área de protección de un solo mástil se emplea un procedimiento geométrico en el que se tienen en cuenta la altura del mástil (h), la altura del equipo (d ) y la distancia de descarga critica (o radio de la esfera Sm). Ya que h<Sm.

Donde:

h: altura del mástil, m

de : altura del equipo a proteger, m

x: distancia máxima horizontal desde la punta hasta el objeto que se desea proteger a una altura de , m.

El circulo con un radio x alrededor de la punta es el área de protección que brinda la punta contra una descarga directa a un objeto ubicado a una altura de.

Diseño con cuatro mástiles Para apantallar un objeto con cuatro mástiles se asigna inicialmente la altura de los mástiles y luego se determina la máxima separación entre ellos. Para el calculo de la separación máxima de los mástiles se emplea un procedimiento geométrico en el que se tienen en cuenta la altura de los mástiles h, la altura del equipo de y la distancia de descarga critica (o radio de la esfera Sm).

La separación está dada por las siguientes ecuaciones:

HILO DE GUARDIA

Se requiere apantallar una subestación de 230 kV con hilos de guardia tipo EHS de 5/16”, la barra superior esta conformada por cables ACSR tipo IBIS soportados por cadenas de aisladores tipo platillo de 10”x5 3/4” en pórticos y además se tiene los siguientes datos:

Ancho de campo d= 16 m Longitud del vano L=36 m Altura de los conductores de fase Hmax= 13.5 m Diametro del conductor de fase D= 19.888 mm Numero de aisladores n= 15

Hilos de guardia para un solo campo

Hilos de guardia para dos campos

Mástil

La altura del mástil es menor que la distancia de descarga (H < S6), entoncés se tiene para la protección con un solo mástil es:

Un solo Mástil

Cuatro Mástiles

El uso de mástiles no es recomendable por lo costoso, y requiere de una estructura propia.

Si bien es costoso apantallar con hilos de guardia, puede hacerse apreciablemente costos, puede resultar seguro el apantallamiento con mástiles.

Se sigue el siguiente procedimiento para su localización: • Se asigna una altura inicial del mástil, H. • Cálculo del área de protección de un solo mástil, x. • Cálculo de la máxima separación de los mástiles, S.

Con esta información los mástiles pueden ser ubicados en la subestación, ajustando su localización hasta obtener el diseño más óptimo.

Gracias