Comportamiento del aislamiento eléctrico

5/12/2018 Comportamiento del aislamiento el ctrico - slidepdf.com

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IntroducciónJUAN A. MARTÍNEZ VELASCO

1

Capítulo 1

1.1. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO: OBJETIVOS

Los equipos e instalaciones eléctricas son sometidos a sobretensiones que pueden afectar

su aislamiento y provocar un fallo o una avería. Una sobretensión es una solicitación

variable en el tiempo cuyo valor máximo es superior al valor de cresta de la tensión no-

minal del sistema en el que se origina. Las sobretensiones en una red eléctrica se originan

como consecuencia de una falta, una maniobra o una descarga atmosférica. Su estudio es

fundamental para determinar tanto el nivel de aislamiento que se debe seleccionar para

los distintos componentes de un sistema como los medios o dispositivos de protecciónque es necesario instalar. Todo esto se debe realizar conociendo el comportamiento de

los distintos aislamientos frente a todo tipo de sobretensiones. Y por razones similares,

la selección y ubicación de los distintos medios de protección sólo se podrá realizar de

forma adecuada si se conoce su comportamiento frente a las distintas sobretensiones.

El estudio de sobretensiones y la selección de aislamientos y dispositivos de protec-

ción es el objetivo de lo que se conoce como Coordinación de Aislamiento. Existen varias

formas de definir este concepto. Una primera aproximación definiría la Coordinación de

Aislamiento como la selección de la tensión soportada de los distintos equipos. Puesto

que el comportamiento de cualquier aislamiento depende del tipo de solicitación al que

es sometido, la definición se puede completar tal como aconseja la norma UNE-EN

60071-1 [10]: la Coordinación de Aislamiento es la selección de la rigidez dieléctrica delos equipos en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual se

hallan instalados, teniendo en cuenta las condiciones ambientales de servicio y las carac-

terísticas de los dispositivos de protección disponibles [10].

La primera selección de la tensión soportada se puede basar en la siguiente regla:

Tensión soportada = Máxima sobretensión

En la práctica es necesario tener en cuenta otros aspectos y no es aconsejable selec-

cionar el nivel de aislamiento a partir de esta igualdad. El valor más elevado o desfavo-

rable de un determinado tipo de sobretensión se presentará generalmente con una fre-



2 Coordinación de aislamiento en redes eléctricas de alta tensión

cuencia muy baja, por lo que el coste del aislamiento seleccionado de esta forma podría

ser excesivo. Es, por tanto, impensable seleccionar el nivel de aislamiento de un equipo

de forma que pueda soportar cualquier sobretensión que se pueda presentar; la selecciónse debe realizar teniendo en cuenta los medios de protección que se pueden utilizar y

aceptando una probabilidad de fallo. Además conviene tener en cuenta que el objetivo de

la coordinación de aislamiento no es proteger sólo a los equipos eléctricos sino también

impedir que se averíen los dispositivos de protección. Es decir, la selección de los dispo-

sitivos de protección se deberá realizar teniendo en cuenta las solicitaciones a las que

estos se verán sometidos.

Una práctica muy común en cualquier campo de la ingeniería es aceptar una cierta

probabilidad o riesgo de fallo. Esta probabilidad se debería escoger después de un estudio

de optimización de costes, de forma que los costes totales que resulten de sumar los cos-

tes de inversión y los costes derivados de una avería sean óptimos. Algunas sobretensiones,

fundamentalmente aquellas que servirán para seleccionar el aislamiento, se pueden carac-terizar de forma estadística mediante una función de densidad de probabilidad. Asimismo,

la rigidez dieléctrica de un aislamiento no tiene un comportamiento único, sino un com-

portamiento estadístico, y además depende de la forma de onda de tensión aplicada.

Teniendo en cuenta estos aspectos, se puede definir la Coordinación de Aislamiento

como la selección de la tensión soportada normalizada de los equipos teniendo en cuen-

ta las sobretensiones que pueden aparecer, así como los medios de protección que se

pueden instalar y las condiciones ambientales de la zona, para obtener un riesgo de fallo

aceptable.

Con una perspectiva más amplia, un estudio de coordinación de aislamiento podría

tener objetivos diferentes. Considérese el caso de una subestación; el objetivo del estudio

podría ser cualquiera de los siguientes:

1. La subestación ya ha sido construida y las tensiones soportadas normalizadas de

todos los componentes han sido seleccionadas; el objetivo es seleccionar y ubicar

los dispositivos de protección que pueden reducir el riesgo de fallo.

2. La subestación ha sido diseñada, así como los medios de protección; el objetivo

es seleccionar la tensión soportada normalizada de los distintos componentes.

3. Se tiene que diseñar la subestación y el objetivo es seleccionar las tensiones so-

portadas normalizadas de los componentes de la misma, así como las caracterís-

ticas y ubicación de los medios de protección.

De lo dicho anteriormente, se deduce que una selección óptima de los aislamientos yde los dispositivos de protección contra sobretensiones requiere un conocimiento riguro-

so de la siguiente información:

• origen y distribución estadística de las sobretensiones que se pueden originar,

• caracterización de los distintos tipos de aislamientos,

• dispositivos de protección que es posible seleccionar o instalar,

• coste de las distintas opciones o estrategias.

El resto de este capítulo está dedicado a introducir los conceptos mencionados en esta

sección. La siguiente sección presenta un resumen del origen de las sobretensiones y de



Introducción 3

su clasificación para la posterior selección del aislamiento. El comportamiento y la ca-

racterización de los distintos tipos de aislamientos bajo cualquier tipo de sobretensión

será el tema central de la Sección 1.3. Los distintos medios disponibles para limitar oprevenir las sobretensiones serán introducidos en la Sección 1.4. Los principios básicos

del procedimiento general de coordinación de aislamiento propuesto por la Comisión

Electrotécnica Internacional (CEI) [11] serán resumidos en la Sección 1.5. El cálculo de

sobretensiones mediante ordenador es el tema central de la Sección 1.7, en donde se co-

mentarán las prestaciones necesarias en los programas de cálculo numérico y las tenden-

cias actuales en el desarrollo de estos programas. Finalmente, la Sección 1.6 presentará

un alcance del presente libro con una breve introducción de los objetivos de los restantes

capítulos.

1.2. SOBRETENSIONES EN REDES ELÉCTRICASDE ALTA TENSIÓN

El cálculo o estimación de las sobretensiones a las que puede ser sometido cualquier

equipo es de vital importancia en el diseño de redes eléctricas ya que son estas solicita-

ciones las que servirán para escoger el nivel de aislamiento y las protecciones de los

equipos. Un estudio completo de sobretensiones debe tener como objetivos:

• establecer el origen y el tipo de sobretensiones que es necesario determinar para

una selección adecuada de los aislamientos y de los medios de protección,

• determinar la distribución estadística de aquellas sobretensiones que serán emplea-

das en la selección de los aislamientos.

En los siguientes apartados se presenta una clasificación de las sobretensiones aten-

diendo a las causas y las características más importantes de cada tipo, una descripción de

las formas de onda que han sido normalizadas para determinar mediante ensayo la tensión

soportada de un aislamiento frente a cualquier tipo de sobretensión, y la caracterización

de las sobretensiones desde un punto de vista estadístico.

1.2.1. Clasificación y características de las sobretensiones

La primera clasificación de las sobretensiones se basa en el origen, ya que la causa pue-

de ser interna o externa a la red. Las sobretensiones de origen externo, es decir debidasa causas ajenas al sistema, son originadas principalmente por el impacto de un rayo y son

conocidas también como sobretensiones atmosféricas. Las sobretensiones de origen in-

terno son causadas en el propio sistema, y se dividen a su vez en sobretensiones tempo-

rales y de maniobra. Estas últimas son causadas por operaciones de cierre y apertura de

interruptores o seccionadores, lo que en general provoca un proceso transitorio que pue-

de terminar originando no sólo sobretensiones sino también sobreintensidades. Las so-

bretensiones temporales tienen causas muy diversas, tal como se verá en las próximas

secciones.

Una clasificación más completa de las sobretensiones se basa en las principales ca-

racterísticas con las que se presenta el proceso transitorio: valor de cresta, duración, y




frecuencia o gama de frecuencias en el proceso transitorio, si este es oscilatorio, o el

tiempo al valor de cresta si el proceso transitorio es unidireccional. De acuerdo con esto

se pueden distinguir las siguientes categorías:

a) Sobretensiones temporales, son de larga duración (desde varios milisegundos a

varios segundos), y de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación.

b) Sobretensiones de frente lento, son generalmente originadas por maniobras, tie-

nen una corta duración (pocos milisegundos) y se presentan con una gama de

frecuencias que varía entre 2 y 20 kHz.

c) Sobretensiones de frente rápido, son generalmente causadas por el rayo, son de

duración muy corta y de amplitud muy superior a la tensión de cresta nominal.

d ) Sobretensiones de frente muy rápido, se originan generalmente con faltas y ma-

niobras en subestaciones de SF6, su duración es de pocos microsegundos, y su

frecuencia es generalmente superior a 1 MHz.

La Figura 1.1 muestra una relación entre el tipo de sobretensiones (se excluyen las

de frente muy rápido), la duración y el orden de magnitud que puede alcanzar el valor de

cresta.

Aunque las causas de las sobretensiones son muchas, así como los parámetros y va-

riables que intervienen en cada categoría, es posible distinguir unos pocos parámetros

cuya influencia será decisiva en la mayoría de casos [1] – [6]:

a) Valor de cresta: además de la tensión nominal de la red, que siempre será una

referencia, el valor máximo de una sobretensión dependerá de ciertos factores,

según sea la causa u origen:

• En sobretensiones temporales y de frente lento originadas por una falta o ma-

niobra influirán el instante en el que se inicia el proceso transitorio, la carga

atrapada en el lado del consumo en caso de maniobra, el amortiguamiento que

introducen los distintos equipos de la red, y en algunos casos (maniobras de

líneas y cables en vacío) los coeficientes de reflexión.

1

2

3

4

5

6

t (s)

Sobretensiones de

origen atmosférico

Sobretensionesde maniobra

Sobretensionestemporales

V (pu)

10–6 10–4 10–2 100 102

Figura 1.1. Clasificación de sobretensiones [7].



Introducción 5

• En sobretensiones de frente rápido o muy rápido originadas por una maniobra,

además de las causas mencionadas anteriormente, habrá que añadir las impe-

dancias características de los componentes que intervienen en el proceso tran-sitorio.

• En sobretensiones de frente rápido o muy rápido provocadas por una descarga

atmosférica influirán las impedancias características de líneas, cables y otros

equipos, los coeficientes de reflexión en puntos cercanos al punto de impacto,

y el instante de impacto de la descarga.

b) Frecuencia de las oscilaciones: las frecuencias que aparecerán en sobretensio-

nes oscilatorias serán debidas a la frecuencia de las fuentes que alimentan la

red, las frecuencias naturales que pueden originarse entre los distintos equipos,

o la longitud de líneas, cables o conductos para los cuales el modelo matemáti-

co incluya una representación con parámetros distribuidos. La frecuencia natu-

ral de un circuito es el resultado de intercambio de energía entre el campo

eléctrico y el campo magnético, y depende de los valores de sus parámetros no

disipativos ( L y C ):

f LC

=1

2π (1.1)

En el caso de una línea o cable, la frecuencia de las oscilaciones originadas

por reflexiones de ondas entre sus extremos vendrá dada por la siguiente ex-

presión:

f =1

4t (1.2)

siendo t el tiempo de propagación en la línea, cable o conducto.

Si la sobretensión es unidireccional (no oscilatoria) y originada por un rayo,

el tiempo a la cresta dependerá fundamentalmente del tiempo a la cresta de la

descarga atmosférica, y será del orden de microsegundos.

c) Duración: la duración de una sobretensión dependerá fundamentalmente de dos

factores, la causa y el amortiguamiento que introducen los equipos de la red.

La norma UNE-EN 60071-1 [10] establece la clasificación de sobretensiones deacuerdo con una forma de onda y una duración normalizadas. La Tabla 1.1 presenta un

resumen de las características más importantes de cada tipo de sobretensión. Se puede

comprobar que están divididas en dos grupos:

1. Sobretensión de baja frecuencia: es de larga duración y se origina con una fre-

cuencia igual o próxima a la de operación. Este tipo de sobretensiones se divide

a su vez en:

• Tensión permanente a frecuencia industrial: tensión a frecuencia de operación

de la red, con un valor eficaz constante, y aplicada permanentemente.




• Sobretensión temporal: sobretensión de frecuencia industrial y duración rela-

tivamente larga. Una sobretensión de este tipo puede ser amortiguada o débil-

mente amortiguada. Dependiendo de la causa, su frecuencia puede ser distintao igual a la frecuencia de operación de la red.

2. Sobretensión transitoria: es de corta duración (algunos milisegundos), oscilatoria

o unidireccional, y generalmente muy amortiguada. Una sobretensión transitoria

puede estar seguida por una sobretensión temporal; en tal caso ambas sobreten-

siones se analizan como sucesos separados. Las sobretensiones transitorias se

dividen a su vez en:

• Sobretensiones de frente lento: generalmente oscilatoria, con un tiempo de

subida hasta el valor de cresta, T p, comprendido entre 20 y 5.000 µs, y con un

tiempo de cola, T 2, igual o inferior a 20 ms.

• Sobretensión de frente rápido: Generalmente unidireccional, con un tiempo desubida hasta el valor de cresta, T 1, comprendido entre 0,1 y 20 µs, y con un

tiempo de cola, T 2, igual o inferior a 300 µs.

• Sobretensión de frente muy rápido: generalmente oscilatoria, con un tiempo

de subida hasta el valor de cresta, T f , inferior a 0,1 µs, una duración total infe-

rior a 3 ms, y con oscilaciones superpuestas de frecuencias comprendidas en-

tre 30 kHz y 100 MHz.

El cálculo de sobretensiones se debe realizar teniendo en cuenta la configuración del

aislamiento de los equipos involucrados; es decir todos los elementos que influyen en el

comportamiento dieléctrico que pueden resultar dañados o afectados por una determina-

da sobretensión. Según UNE-EN 60071-1, se deben distinguir las siguientes configura-

ciones de aislamiento:

a) Trifásica: la que tiene tres bornes de fase, un borne de neutro y un borne de

tierra.

b) Fase-tierra: configuración trifásica en la que no se tiene en cuenta los bornes de

dos fases, y en la que el borne de neutro está generalmente conectado a tierra.

c) Fase-fase: configuración trifásica en la que no se considera un borne de fase. En

algunos casos tampoco se consideran los bornes de neutro y de tierra.

d ) Longitudinal: configuración con dos bornes de fase y uno de tierra. Los bornes

de fase pertenecen a la misma fase de una red trifásica, separada temporalmente

en dos partes independientes bajo tensión. Los cuatro bornes de las otras dos

fases no se tienen en cuenta o están conectados a tierra.

1.2.2. Formas de onda normalizada

Con el objetivo de verificar en el laboratorio el comportamiento de los aislamientos frente

a los diferentes tipos de sobretensiones, se han establecido unas formas de ondas normali-

zadas, que se definen de forma detallada en UNE-EN 60071-1, véase también la Tabla 1.1.

a) Tensión normalizada de corta duración a frecuencia industrial: es una tensión

sinusoidal, de frecuencia comprendida entre 48 y 62 Hz, y una duración igual a

60 segundos.



Introducción 7

T a b l a

1 . 1 .

T i p o s y f o r

m a s d e s o b r e t e n s i o n e s , f o r m a s d e o

n d a n o r m a l i z a d a s y e n s a y o s d e t e n

s i ó n s o p o r t a d a n o r m a l i z a d a [ 1 0 ]

T I P O

B a j a f r e c u e n c i a

T r a n s i t o r i o

C o n

t i n u a

T e m p o r a l

F r e n t e l e n t o

F r e n t e r á p i d o

F r e n t e m u y r á p i d o

F o r m a s d e o n d a

d e t e n s i o n e s

y s o b r e t e n s i o n e s

1 / f

T t

T t

1 / f

T 2

T p

T 2

T 1

T f

1 / f 2

1 / f 1

G a m a s d e f o r m a s d e

o n d a d e t e n s i o n e s y

s o b r e t e n s i o n e s

f = 5

0 H

z o 6 0 H z

T t

≥ 3 . 6

0 0 s

1 0 H z < f < 5 0 0 H z

0 , 0

2 s ≤

T t

≤ 3 . 6

0 0 s

2 0 µ s < T p

≤ 5 . 0

0 0 µ s

T 2

≤ 2

0 m s

0 , 1 µ

s < T

1 ≤

2 0 µ s

T

2 ≤

3 0 0 µ s

T f

≤ 1

0 0 n s

0 , 3

M H z < f 1 < 1 0

0 M H z

3 0 k H z < f 2 < 3 0 0 k H z

F o r m a s d e o n d a

d e t e n s i ó n

n o r m a l i z a d a

1 / f

T t

1 / f

T t

T 2

T p

T 2

T 1

* )

f = 5

0 H

z o 6 0 H z

T

t * )

4 8 H z ≤

f ≤

6 2 H z

T t = 6

0 s

T p

= 2

5 0 µ s

T 2 = 2 . 5

0 0 µ s

T

1 = 1 , 2 µ s

T

2 = 5

0 µ s

E n s a y o d e t e n s i ó n

s o p o r t a d a

n o r m a l i z a d a

* )

E n s a y o a f r e c u e n c i a

i n d u s t r i a l d e c o r t a

d u r a c i ó n

E n s a y o i m p u l s o t i p o

m a n i o b r a

E n s a y

o i m p u l s o t i p o

r a y o

* )

* ) A e s p e c i fi c a r p o r e l c o m i t é d e p r o d u c

t o c o n c e r n i e n t e .




b) Impulso de tensión tipo maniobra normalizado: es un impulso de tensión con un

tiempo de subida hasta el valor de cresta de 250 µs y un tiempo de cola de

2.500 µs.c) Impulso de tensión tipo rayo normalizado: es un impulso de tensión con un tiem-

po de subida hasta el valor de cresta de 1,2 µs y un tiempo de cola de 50 µs.

d ) Impulso de tensión tipo maniobra combinado normalizado: es un impulso de

tensión combinado que tiene dos componentes del mismo valor de cresta y po-

laridad opuesta, la componente positiva es un impulso de maniobra normalizado,

mientras que la componente negativa es un impulso de maniobra cuyos tiempos

de subida y de cola no deberían ser inferiores a los del impulso positivo. Ambos

impulsos deberían alcanzar el valor de cresta en el mismo instante. El valor de

cresta de la tensión combinada es, por tanto, la suma de los valores de cresta de

los componentes.

Para establecer una relación entre las sobretensiones reales y las formas de onda nor-

malizadas se definen, asimismo, las sobretensiones representativas. Se trata de aquellas

sobretensiones que se supone producen el mismo efecto sobre el aislamiento que las so-

bretensiones de una determinada clase que aparecen en servicio, tienen la forma de onda

normalizada de la clase correspondiente y pueden ser definidas por un valor, un conjunto

de valores o una distribución estadística de valores. Este concepto se aplica también a la

tensión permanente a frecuencia industrial.

1.2.3. Distribución estadística de sobretensiones

Muchas de las sobretensiones que se pueden originar en una red eléctrica tienen carácterestadístico. En general se acepta que las sobretensiones originadas por maniobras y las

causadas por el rayo deben ser descritas por una distribución estadística a consecuencia

de la naturaleza aleatoria de muchos de los parámetros y variables involucradas, y cuya

influencia es importante o muy importante en ambos tipos de sobretensiones.

Considérese el caso de la maniobra de conexión de una línea aérea que se encuentra

sin demanda en su extremo receptor. Las sobretensiones máximas se originarán en este

extremo y dependerán, entre otros factores, del instante en el que se cierra el interruptor.

Conviene tener en cuenta que en una maniobra con interruptor trifásico el cierre de las

tres fases no es simultáneo, y que la probabilidad de que en una fase el interruptor se

cierre con un determinado ángulo de fase es la misma para cualquier valor de este ángu-

lo situado entre – p /2 y + p /2 radianes. Es decir, por un lado hay que considerar una dis-tribución estadística para obtener el ángulo de tensión de la fase de referencia, y por otro

hay que considerar otra distribución estadística, que en general se considera diferente de

la anterior, para calcular el retardo con el que se cerrarán las otras dos fases respecto a

este ángulo.

El cálculo de la distribución estadística de un tipo de sobretensión requiere el empleo

de un método probabilista cuya aplicación puede describirse mediante los siguientes tres

pasos:

• Selección de una distribución estadística para todas las variables y parámetros de

carácter aleatorio.



Introducción 9

• Desarrollo de un modelo matemático para el sistema en estudio, teniendo en cuen-

ta el tipo de sobretensión a calcular.

• Aplicación de un procedimiento de cálculo estadístico o probabilista, generalmen-te basado en el método de Monte Carlo.

Asimismo, la aplicación de un procedimiento basado en el método de Monte Carlo

consistirá en los siguientes pasos (véase Anexo A):

1. Se generan los números aleatorios necesarios y se obtienen las variables y pa-

rámetros aleatorios, de acuerdo con la función de probabilidad asumida para

cada uno.

2. Se resuelve el modelo matemático del sistema con los valores de parámetros y

variables generados en el paso anterior.

3. Se repiten los dos pasos anteriores tantas veces como sea necesario para obtenerla convergencia del método de Monte Carlo o la solución con una precisión acep-

table. Evidentemente cuantas más muestras se obtengan para cada variable de

salida, mayor será la precisión de los resultados obtenidos.

4. A partir de los valores obtenidos en cada muestra o iteración se obtiene un his-

tograma de sobretensiones y se estima la función de densidad de probabilidad.

Supóngase que se desea obtener la distribución estadística de sobretensiones origina-

das por maniobras de conexión en una línea aérea. El resultado original de un procedi-

miento como el anterior es una tabla de valores de tensión de cresta ordenados en orden

creciente o decreciente. La tabla puede ser reordenada de forma que se indique el núme-

ro de muestras obtenidas en un determinado intervalo (u, u + Δu) y sea presentada enforma de histograma como el de la Figura 1.2.

La probabilidad de que se origine una sobretensión U con un valor dentro de un de-

terminado rango de valores se puede aproximar mediante la siguiente expresión:

P u U u un

n

u

total

[ ]< ≤ + =Δ (1.3)

siendo nu el número de muestras que caen dentro del intervalo escogido y ntotal el número

total de muestras obtenidas con el método de Monte Carlo.

La función de densidad de probabilidad sería el resultado de aumentar el número de

muestras indefinidamente:

f un

nsn

u

totaltotal

( ) lim=→∞

(1.4)

En la práctica, el número de muestras a obtener dependerá del tipo de sobretensiones

en estudio y de otros factores, como el tamaño del sistema a estudiar. Para sobretensiones

por maniobras se suele recomendar un número mínimo comprendido entre 200 y 300

muestras.

Como se verá en la Sección 1.5, la función de densidad de probabilidad de sobreten-

siones servirá para obtener el riesgo de fallo. Sin embargo, la distribución estadística de




sobretensiones se puede expresar también mediante la función de distribución acumulada

o su función complementaria.

La función de distribución acumulada se obtiene mediante integración de la función

de densidad de probabilidad:

F u P U u f U dU s s

u

( ) [ ] ( )= ≤ = ⋅∫ 0

(1.5)

y permite obtener la probabilidad de que se origine una sobretensión con un valor de

cresta inferior a un valor determinado.

En general suele ser más útil la función complementaria, que proporciona la proba-

bilidad de que la sobretensión que se origine tenga un valor de cresta superior a un valor

determinado

P U u f U dU s

u

[ ] ( )> = ⋅∞

∫ (1.6)

La Figura 1.3 muestra la relación entre la función de densidad de probabilidad, la

función de distribución acumulada y la función complementaria de ésta. Se puede com-

probar que la función de probabilidad acumulada es monótona creciente, mientras que su

complementaria es monótona decreciente.

La función de densidad de probabilidad suele presentar una distribución normal o

gaussiana cuando se trata de sobretensiones por maniobra. La distribución de las sobre-

tensiones causadas por el rayo es distinta, y presenta distintas densidades de probabilidad

60

50

40

30

20

10

N ú m e r o d e m u e s t r a s

Tensión (pu)

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4

Figura 1.2. Histograma de sobretensiones.



Introducción 11

para las sobretensiones originadas por cebado inverso y para las originadas por un fallo

de apantallamiento.

1.3. CARACTERÍSTICAS Y COMPORTAMIENTO DEL AISLAMIENTO

El aislamiento de los equipos eléctricos se puede clasificar en dos categorías: autorrege-

nerable y no autorregenerable. Un aislamiento autorregenerable recupera sus propiedades

cuando desaparece el contorneo y las causas que lo han provocado. Por el contrario, un

aislamiento no autorregenerable puede quedar total o parcialmente averiado después de

una descarga disruptiva. Los aislamientos líquidos y gaseosos son autorregenerables,

mientras que los aislamientos sólidos son no autorregenerables.

Una segunda clasificación del aislamiento distingue entre aislamiento externo y ais-

lamiento interno. Un aislamiento externo es la distancia a través del aire o de una super-

ficie exterior en contacto con el aire sometido a solicitaciones dieléctricas y ambientales

(humedad y contaminación). Un aislamiento interno es la parte interna del aislamiento

de un equipo eléctrico que está protegido de las solicitaciones ambientales mediante unao varias envolventes. En general, se considera que el aislamiento externo es autorregene-

rable y el aislamiento interno es autorregenerable. Sin embargo, esta clasificación no es

totalmente correcta ya que son muchos los equipos con aislamiento líquido o gaseoso que

es interno y es considerado como autorregenerable. Por último, en algunos equipos, como

los transformadores, se puede encontrar una combinación de aislamiento externo (pasa-

tapas) y aislamiento interno, que puede ser simultáneamente líquido y sólido.

La rigidez dieléctrica de un aislamiento depende de la forma de onda de tensión apli-

cada (pendiente del frente, valor de cresta, pendiente de cola), de la polaridad y, en el

caso del aislamiento externo, de las condiciones ambientales. Además, la descarga dis-

ruptiva de un aislamiento es un fenómeno de naturaleza estadística. Esto significa que un

0

1

0,5

1 − F S(u) P r o b a b i l i d a d F S(u)

U 50

F S(u)

P r o b a

b i l i d a d

Figura 1.3. Distribución estadística de sobretensiones.




mismo aislamiento puede aguantar unas cuantas veces y fallar otras veces cuando es so-

metido de forma repetitiva a la misma onda de tensión, manteniendo constantes la pola-

ridad y las condiciones ambientales.En los dos siguientes apartados se detalla el comportamiento de un aislamiento bajo

distintos tipos de ondas de tensión y la forma en que se puede caracterizar este compor-

tamiento para una posterior selección.

1.3.1. Comportamiento del aislamiento eléctrico

La descarga disruptiva en un aislamiento gaseoso empieza con un proceso de ionización

causado por los electrones libres que son acelerados por el campo eléctrico aplicado. Con

estos electrones libres se puede originar una avalancha que ioniza los átomos neutros y

las moléculas, y libera nuevos electrones. La descarga disruptiva del aislamiento tienelugar cuando la avalancha consigue atravesar el espacio comprendido entre los electrodos.

La avalancha se iniciará si el valor del campo eléctrico aplicado entre electrodos supera

el umbral de efecto corona, pero la descarga disruptiva o contorneo sólo tendrá lugar si

el campo eléctrico es suficientemente elevado.

El tiempo de ruptura, hasta que se consigue la descarga disruptiva total, se descom-

pone en tres períodos:

• inicialmente se debe originar el efecto corona que arranque o acelere los electrones

libres que terminarán provocando la avalancha, para lo cual se necesita que trans-

curra lo que se conoce como tiempo hasta la aparición del efecto corona;

• el tiempo de propagación de los caminos precursores del arco, que disminuye con-forme aumenta el valor del campo eléctrico aplicado;

• finalmente, el tiempo de propagación del canal conductor.

En general, el tiempo de aparición del efecto corona es despreciable frente a los otros

dos y depende de la intensidad del campo eléctrico aplicado.

La propagación del canal conductor puede terminar en un contorneo entre electrodos

si el campo eléctrico aplicado permanece suficientemente elevado.

La dependencia de la rigidez dieléctrica de un aislamiento gaseoso respecto a la for-

ma de onda de tensión aplicada se cuantifica mediante las curvas tensión-tiempo. Un

aislamiento soporta una onda de tensión normalizada si el valor de cresta no es suficien-

temente elevado. Al aumentar el valor de cresta de la onda, se puede llegar a la descargadisruptiva, que inicialmente se producirá en algún instante de la cola de tensión; es decir,

después de haber alcanzado el valor de cresta de la onda. Si se aumenta el valor de cres-

ta, la descarga disruptiva podrá ocurrir en el mismo instante en el que se alcanza el valor

máximo de la onda. Finalmente, si todavía se aumenta más el valor de cresta, la descarga

puede aparecer en algún instante durante el frente de onda, antes de haberse alcanzado el

valor máximo.

La Figura 1.4 ilustra este comportamiento y cómo se puede obtener la curva tensión-

tiempo para un aislamiento a partir de los ensayos comentados.

Una curva tensión-tiempo relaciona, por tanto, la tensión aplicada con el tiempo que

tarda el aislamiento en contornear. Este tipo de curva depende de la polaridad y de la



Introducción 13

forma de onda de tensión aplicada. Además también hay que tener en cuenta las condi-

ciones ambientales (humedad, presión, contaminación).

El comportamiento del aislamiento líquido es similar al descrito para aislamiento

gaseoso y puede describirse con el mismo modelo. Por lo que respecta al aislamiento

sólido, la descarga disruptiva puede aparecer con distintos mecanismos de ruptura (elec-tromecánica, térmica, electroquímica, descargas parciales), siendo en algunas ocasiones

provocada por una combinación de causas. Para más detalles sobre este tema véase el

Capítulo 3.

1.3.2. Especificación del aislamiento eléctrico

La rigidez dieléctrica de un aislamiento se puede describir mediante el nivel de aislamien-

to normalizado, que es un conjunto de tensiones soportadas normalizadas asociadas a la

tensión más elevada en régimen permanente, U m, a la que será sometido el equipo eléc-

trico:

• a las tensiones de la gama I (1 kV ≤ U m ≤ 245 kV) se asocian la tensión soportada

normalizada de corta duración a frecuencia industrial, medida en kV eficaces, y la

tensión soportada normalizada a impulsos tipo rayo, medida en kV cresta;

• a las tensiones de la gama II (245 kV < U m) se asocian la tensión soportada nor-

malizada a impulsos tipo maniobra y la tensión soportada normalizada a impulsos

tipo rayo, ambas medidas en kV cresta.

Para más detalles sobre este aspecto véase el Capítulo 10.

Aunque las tensiones soportadas normalizadas por la CEI son especificadas median-

te unos valores concretos, el comportamiento de cualquier tipo de aislamiento presenta

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

T e n s i ó n ( p u )

0 2 4 6 8 10 12

Tiempo (μs)

Contorneo en elfrente de la onda

Contorneo en lacresta de la onda

Contorneo en lacola de la onda

Sin contorneo

Figura 1.4. Curvas tensión-tiempo.




carácter estadístico. O dicho de otra forma, la tensión soportada por un aislamiento eléc-

trico es un valor estadístico. Es decir, el aislamiento puede soportar una onda de tensión

determinada durante un ensayo y fallar con la misma onda de tensión y con las mismascondiciones ambientales en el siguiente ensayo.

En general, se supone que la rigidez dieléctrica de un aislamiento se comporta de

acuerdo con una función de densidad de probabilidad normal o gaussiana, cuya expresión

matemática es la siguiente:

f uu

a( ) exp

( )= −

−⎛

⎝ ⎜⎞

⎠ ⎟ 1

2 2

2

2π

μ

s s (1.7)

siendo m el valor medio y s la desviación estándar, véase Anexo A.

En coordinación de aislamiento, el valor medio es la tensión soportada dieléctrica, es

decir la tensión para la que el aislamiento tiene una probabilidad de fallo del 50 por 100,

y se suele anotar como U 50. Por lo que respecta a la desviación estándar, ésta se suele

expresar en tanto por ciento del valor medio de la tensión soportada dieléctrica. Para im-

pulsos tipo rayo, la desviación estándar está situada entre el 2 y el 3 por 100 de U 50,

mientras que para impulsos de tipo maniobra se sitúa generalmente entre el 5 y el 7 por

100 de U 50.

En coordinación de aislamiento, una distribución normal también se puede caracteri-

zar mediante el valor U 50 y el valor U 10, que es el valor de tensión con una probabilidad

de fallo o contorneo del 10 por 100. Puesto que entre ambos valores de tensión existe la

siguiente relación:

U U 10 50

1 28= − , s (1.8)

también se puede obtener o conocer el valor de la desviación estándar:

s =−U U

50 10

1 28,(1.9)

En general, el comportamiento estadístico del aislamiento se suele especificar me-

diante la función de distribución acumulada. Como ya se ha visto en el estudio de sobre-

tensiones, esta función se obtiene integrando la función de densidad de probabilidad:

F u f U dU a a

u

( ) ( )= ⋅∫ 0

(1.10)

En estudios de coordinación de aislamiento, la función F a(u) indica la probabilidad

de que la tensión disruptiva sea igual o inferior a un determinado valor. La Figura 1.5

muestra la relación entre la función de densidad de probabilidad y la función de proba-

bilidad acumulada para una distribución normal. Se puede comprobar que la función f a(u)

ha sido truncada cuatro desviaciones estándar por encima y por debajo del valor medio.

El comportamiento estadístico es propio tanto de aislamientos autorregenerables

como de aislamientos no autorregenerables. Sin embargo, un aislamiento no autorregene-



Introducción 15

rable no puede ser sometido al mismo tipo de ensayos que uno autorregenerable, ya que

una descarga disruptiva podría dañar sus propiedades dieléctricas de forma permanente.

Por tal motivo, un aislamiento no autorregenerable se suele caracterizar mediante un

único valor de tensión soportada normalizada, U w. Esto significa que el aislamiento tieneuna probabilidad del 100 por 100 de sobrevivir si la tensión aplicada es inferior a la ten-

sión soportada. Este comportamiento se puede representar gráficamente mediante una

función de distribución acumulada como la que muestra la Figura 1.6.

En la práctica, el cálculo del riesgo de fallo se puede realizar mediante un procedi-

miento derivado del método anterior o mediante un procedimiento probabilista basado en

el método de Monte Carlo, cuyo objetivo no sea sólo el cálculo de sobretensiones sino

también el del riesgo de fallo [11].

0

1

0,5

P r o b a b i l i d a d F a(u)

F a(u)

U 50 – 4s

U 50

U 50 + 4s

P r o b a b i l i d a d

Figura 1.5. Característica dieléctrica de un aislamiento.

0

1

0,5

P r o b a b i l i d a d F a(u)

U w

Figura 1.6. Característica dieléctrica de un aislamiento no autorregenerable.




1.4. PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES

Los principios en los que se basan los dispositivos de protección contra sobretensionesson básicamente dos: limitar las sobretensiones que se puedan originar y prevenir la apa-

rición de sobretensiones. Ambas opciones son analizadas en los siguientes apartados.

1.4.1. Medios para limitar las sobretensiones

El dispositivo más empleado en la limitación de sobretensiones, tanto de origen interno

(originadas por maniobras) como de origen externo (causadas por el rayo), es el pararra-

yos o autoválvula. El pararrayos más utilizado en la actualidad es el de óxidos metálicos,

que se comporta como una resistencia no lineal, cuyo valor es muy elevado cuando la

tensión entre sus bornes terminales es inferior a la tensión residual, pero que se reduce

drásticamente cuando la tensión entre terminales tiende a superar el valor residual. Comoprimera aproximación se puede suponer que un pararrayos de óxidos metálicos limita la

tensión a su valor residual; en realidad, el comportamiento del pararrayos es algo más

complejo y la tensión que aparecerá entre terminales dependerá de la corriente de des-

carga.

La Figura 1.7 muestra el caso de un pararrayos que ha sido instalado para proteger el

transformador de una subestación. Este caso servirá para ilustrar el efecto limitador del

pararrayos e introducir el efecto de la distancia de separación entre el pararrayos y el

equipo que se pretende proteger, es decir el transformador. Para más detalles sobre este

caso véase el Capítulo 2.

Una onda de sobretensión originada por una descarga atmosférica en la línea aérea

se dirige hacia el transformador. Al pasar por el pararrayos la onda de tensión es recor-tada a un valor máximo, que se puede suponer que es el valor de la tensión residual del

pararrayos. Si este valor fuera superior al de la tensión soportada a impulsos tipo rayo

por el transformador, el pararrayos habrá cumplido su misión.

En realidad, el proceso transitorio que se origina es bastante complejo y la tensión

que aparece en el transformador no depende sólo de la tensión residual del pararrayos,

sino que también está influida por la pendiente del frente de onda de tensión que se tras-

lada hacia el transformador, de la distancia de separación entre pararrayos y transforma-

dor, y de la longitud de los cables de conexión del pararrayos a la línea y a tierra. Además

habrá que tener en cuenta que el valor de tensión soportada del transformador puede va-

Rayo

Pararrayos

Transformador

Línea

Ondade tensión

Onda de tensiónlimitada

Figura 1.7. Protección de un transformador mediante un pararrayos de óxidos metálicos.



Introducción 17

riar con el tiempo; por tal motivo se suele aplicar un margen de seguridad y sólo se acep-

ta que el pararrayos instalado es el adecuado si la sobretensión que aparece en el trans-

formador es igual o inferior a la que resulta de dividir la tensión soportada de este por uncoeficiente de seguridad.

Un detalle importante a tener en cuenta es que los pararrayos se instalan para limitar

las sobretensiones de frente lento o de frente rápido, pero su selección se realiza teniendo

en cuenta el nivel de máxima tensión en régimen permanente y la sobretensión temporal

representativa. Esta sobretensión vendrá caracterizada por su valor máximo y su duración.

Un pararrayos de óxidos metálicos debe ser capaz de soportar ambas solicitaciones, de

otra forma podría dañarse.

Por otro lado, la selección se realizará estableciendo un margen de protección, que se

puede definir mediante la siguiente expresión:

MP U U U

w p

p

= − ⋅100 (1.11)

siendo U w la tensión soportada por el aislamiento y U p el nivel de protección proporcio-

nado por el pararrayos.

Lo normal es que el margen de coordinación sea distinto para cada tipo de sobreten-

sión. Por ejemplo, en la protección de transformadores se recomiendan márgenes que van

desde el 15 por 100, para protección frente a sobretensiones por maniobra, hasta el 20

por 100 o más, para protección frente a sobretensiones de origen atmosférico [3].

La Figura 1.8 muestra la coordinación entre un pararrayos y un aislamiento a partir

del margen de coordinación escogido para cada tipo de sobretensión.

En el caso de sobretensiones originadas por una maniobra de conexión se puedenconsiderar otros medios, como la preinserción de impedancias limitadoras en serie con

el interruptor que realiza la maniobra.

Tiempo

M P2

Tensión soportada

frente a sobretensiones

de frente rápido en

el frente de onda

Nivel de protección proporcionado por el pararrayos

M P1

M P3

Tensión soportada

frente a sobretensiones

de frente rápidoTensión soportada

frente a sobretensionesde frente lento

T e n s i ó n

Figura 1.8. Coordinación entre pararrayos y aislamiento.




Las sobretensiones que se pueden originar con una maniobra dependen de varios

factores: el tipo de circuito que se conecta (inductivo, capacitivo, línea con parámetros

distribuidos); el circuito equivalente en el lado de la fuente; el instante en el que se rea-liza la maniobra, o lo que es igual, el valor de la tensión en el lado de la fuente cuando

se realiza la maniobra.

La Figura 1.9 muestra el caso de conexión de una línea aérea en vacío que es alimen-

tada mediante una fuente de tensión alterna. La figura muestra la tensión que se obtiene

en el extremo abierto de la línea en función de la impedancia en serie con la fuente y del

instante en el que se realiza la maniobra. Se puede comprobar que la sobretensión en el

terminal abierto será máxima si la maniobra se realiza en el momento en el que la tensión

de la fuente pasa por un máximo, y que la sobretensión se puede reducir aumentando el

valor de la resistencia en serie con la fuente.

1.4.2. Medios para evitar sobretensiones

Los medios empleados para evitar las sobretensiones dependen del tipo o el origen de la

sobretensión.

1. Las sobretensiones por maniobra se pueden limitar o evitar empleando interrup-

tores con cierre sincronizado. Puesto que, como ya se ha mencionado, la sobre-

tensión que se puede originar con una maniobra depende de la tensión que exis-

ta en el lado de la fuente cuando se cierra el interruptor, el valor de la

sobretensión puede reducirse drásticamente, o incluso no originarse sobreten-

sión, si el cierre se sincroniza con la tensión de la fuente, y tiene lugar cuandoesta tensión es nula o cercana a cero.

2. Las sobretensiones de origen atmosférico se pueden limitar mediante la instala-

ción de pantallas que eviten el impacto directo de la descarga atmosférica en los

equipos eléctricos.

El diseño de las pantallas se realiza mediante la aplicación del modelo elec-

trogeométrico. Según este modelo, se puede asociar a cualquier cuerpo un radio

de atracción para las descargas atmosféricas cuyo valor depende del valor de

cresta de la corriente de las descargas. La Figura 1.10 muestra la aplicación a un

cable conductor situado a una cierta altura respecto al terreno. Para un cierto

valor de cresta de la corriente de descarga se calcula el radio de atracción del

cable y el de tierra. Para este último caso se traza una línea paralela a una ciertaaltura respecto a tierra, cuyo valor coincide con el del radio de atracción del pla-

no de tierra, y que en general se suele suponer inferior al de cualquier cable. De

la intersección del arco con centro en el cable y de la recta paralela a tierra se

obtiene la zona de atracción del cable y la zona de atracción de tierra. Cualquier

descarga cuyo canal, para el que se supone siempre una dirección vertical, se

encuentre entre los puntos A y B impactará en el cable, mientras que para cual-

quier otra posición irá directamente a tierra.

La geometría será bastante más complicada en una línea real donde el núme-

ro de cables es más elevado. En el caso de una línea aérea se instalan cables de

guarda o de tierra, a potencial de tierra, y situados por encima de los conductores



Introducción 19

Z c = 350 Ω; R = 9,25 Ω /kmLongitud = 90 km

R0 210

a) Esquema del sistema

5 10 15 20

Fuente Final línea

T e n s i ó n ( V )

Tiempo (ms)

2

1

0

–1

–2

0 5 10 15 20

Fuente Final línea


Tiempo (ms)

2

1

0

–1

–2

0

b) Resistencia de la fuente = 10 ohmios

5 10 15 20

Fuente Final línea


Tiempo (ms)

2

1

0

–1

–2

0 5 10 15 20

Fuente Final línea


Tiempo (ms)

2

1

0

–1

–2

0

c) Resistencia de la fuente = 50 ohmios

5 10 15 20

Fuente Final línea

T e n s i ó n ( V

)

Tiempo (ms)

2

1

0

–1

–2

0 5 10 15 20

Fuente Final línea

T e n s i ó n ( V

)

Tiempo (ms)

2

1

0

–1

–2

0

d ) Resistencia de la fuente = 80 ohmios

Instante de conexión = 5,0 ms Instante de conexión = 7,5 ms

Figura 1.9. Sobretensiones por maniobra de conexión en una línea aérea monofásica.




activos con el objetivo de atraer las descargas atmosféricas e impedir su impacto

en las fases activas de la línea.

El apantallamiento de una subestación se basa en principios muy similares,

ya que la protección o apantallamiento de los equipos instalados en la subesta-

ción se realizará mediante cables, pórticos o mástiles conectados a potencial de

tierra y cuyo radio de atracción para las descargas que pueden ser peligrosas para

los equipos sea suficientemente grande como para atraer todas estas descargas.

Para más detalles sobre la aplicación del modelo electrogeométrico véase el Ca-

pítulo 5.

Un tercer medio para limitar las sobretensiones es la puesta a tierra de las instalacio-

nes. En realidad, la puesta a tierra tiene otros objetivos fundamentales, pero en el caso de

las torres o postes de las líneas aéreas, a estos objetivos se debe añadir el de limitar las

sobretensiones por impacto de descargas atmosféricas en una torre o en un cable de tierra

que funcione como pantalla, tal como se ha descrito anteriormente. Para más detalles

sobre la puesta a tierra de las instalaciones eléctricas y su comportamiento frente a des-

cargas tipo rayo, véase el Capítulo 4.

La Figura 1.11a muestra la configuración de conductores de una línea de transporte de

tensión nominal 400 kV. Con este ejemplo se demostrará el efecto de los cables de tierra

y la influencia que puede tener el valor de resistencia de puesta a tierra de las torres. Las

Figuras 1.11b y 1.11c muestran las tensiones que resultan entre los terminales de la cadenade aisladores de una fase exterior cuando la onda de corriente de una descarga, con un

valor de cresta de 10 kA, impacta en un cable de tierra o en un conductor de una fase ex-

terior. Los resultados han sido obtenidos con dos valores de la resistencia de puesta a tierra.

Las simulaciones fueron realizadas suponiendo que la onda de corriente de la descar-

ga atmosférica tiene una forma de doble rampa y que la resistencia de puesta a tierra

tiene un valor constante. Se puede comprobar que las diferencias entre las tensiones re-

sultantes cuando la descarga impacta en un cable de tierra o en una fase son muy aprecia-

bles, mientras que el valor de la sobretensión por impacto en una torre aumenta conforme

aumenta la resistencia de puesta a tierra. Además el valor de la resistencia de puesta a

tierra apenas influye cuando el impacto de la descarga es en un conductor de fase.

Descargasa tierra

Descargasal cable

r c

r g

A B

Descargasa tierra

Figura 1.10. Aplicación del modelo electrogeométrico.



Introducción 21

A B C

10 m

10 m 10 m

5,1 m

40 cm14,05 m

17,20 m

7,164 m

22,5 m(10,5 m)

26,1 m(14,1 m)

31,25 m(21,25 m)

a) Configuración de la línea (los valores entre paréntesis corresponden a alturas medidas en mitad

del vano)

5

T e n s i ó n ( k V )

Tiempo (µs)

0 1 2 3 4 6

Tensión en cadena de aisladores

0

–500

–1.000

Impacto en un cable de tierra


Tiempo (µs)

0 5 10 15 20


2.500

2.000

1.000

1.500

500

0

Impacto en una fase exterior

b) Resistencia de puesta a tierra = 20 ohmios

5


Tiempo (µs)

0 1 2 3 4 6


0

–500

–1.000

Impacto en un cable de tierra


Tiempo (µs)

0 5 10 15 20


2.500

2.000

1.000

1.500

500

0

Impacto en una fase exterior

c) Resistencia de puesta a tierra = 200 ohmios

Figura 1.11. Efecto de los cables de tierra y de la resistencia de puesta a tierra en lassobretensiones causadas por descargas atmosféricas en una línea aérea de transporte.




1.5. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO: PROCEDIMIENTOS

El objetivo de la coordinación de aislamiento es la selección de un conjunto de tensionessoportadas normalizadas y la determinación de las distancias en el aire de forma que los

equipos puedan soportar las solicitaciones dieléctricas a las que serán sometidos.

Un procedimiento de coordinación de aislamiento debe tener en cuenta los factores

que influyen en la soportabilidad del aislamiento: la polaridad de las sobretensiones, la

forma de las ondas de sobretensión, el tipo de aislamiento, las condiciones atmosféricas

(en caso de aislamiento externo) y finalmente el estado físico que pueden llegar a tener

los equipos.

El procedimiento propuesto en la norma UNE-EN 60071-2 consiste en seleccionar el

nivel de aislamiento normalizado y determinar las distancias en el aire a partir de las

tensiones (o sobretensiones) representativas y de los factores que influyen en la soporta-

bilidad del aislamiento [10], [11].El método de coordinación de aislamiento a aplicar dependerá de la información dis-

ponible sobre las tensiones representativas. En los dos siguientes apartados se detallan

los principios de los métodos de coordinación de aislamiento y los pasos a seguir en el

procedimiento propuesto por la CEI. Ambos temas son tratados con más detalle en el

Capítulo 10.

1.5.1. Métodos de coordinación de aislamiento

Se pueden distinguir dos métodos de coordinación de aislamiento: determinista y esta-

dístico. La aplicación de uno u otro método dependerá de la información disponible sobreel sistema o instalación a estudiar y de la información que es posible estimar sobre las

tensiones representativas.

Las sobretensiones que se originan en una red eléctrica de alta tensión, fundamental-

mente las causadas por maniobras y por descargas atmosféricas, tienen carácter estadís-

tico, y se suelen caracterizar, como ya se ha dicho, mediante una función de densidad

probabilidad.

También el comportamiento del aislamiento bajo solicitaciones normalizadas tiene

carácter aleatorio y se puede caracterizar mediante una distribución estadística normal o

gaussiana, aunque en este caso es normal que se utilice la función de distribución acu-

mulada, es decir la probabilidad de que el aislamiento falle cuando el valor de cresta de

la onda de tensión normalizada que se aplica supera un determinado valor. Se suele em-plear esta forma de caracterizar el aislamiento cuando éste es autorregenerable, mientras

que para aislamiento no autorregenerable se suele suponer un único valor frontera, que

separa la zona de fallo de la zona de supervivencia.

El método de coordinación estadístico se puede aplicar cuando es posible obtener la

función de densidad de probabilidad de las sobretensiones representativas, que serán em-

pleadas en la selección del aislamiento. A partir de la distribución estadística de las so-

bretensiones y de la función de probabilidad de fallo del aislamiento, es posible obtener

el riesgo o frecuencia de fallo de un equipo frente a un determinado tipo de solicitación

dieléctrica. Esto permite seleccionar y dimensionar el aislamiento de forma que la fre-

cuencia de fallo se halle dentro de los límites aceptables.



Introducción 23

Supóngase que f s(u) es la función de densidad de probabilidad de las sobretensiones,

mientras que F a(u) es la función de distribución acumulada del aislamiento. Puesto que

la probabilidad de que se origine una sobretensión con valor comprendido entre u y(u + du) es f s(u)du, y la probabilidad de que ese aislamiento falle con esta sobretensión

es F a(u), la probabilidad de fallo para esta sobretensión se puede obtener mediante la

siguiente expresión:

dR = f s(u) · F a(u) · du (1.12)

De aquí se deduce que el riesgo de fallo total del aislamiento frente a este tipo de

sobretensiones será

R f U F U dU s a

= ⋅ ⋅∞

∫ ( ) ( )0

(1.13)

La Figura 1.12 muestra gráficamente el cálculo del riesgo de fallo. En la práctica, tal

como se deduce de la figura, el cálculo de la integral se extenderá entre dos límites dife-

rentes a los de la expresión (1.13), ya que no se puede esperar fallo con tensión aplicada

nula ni tampoco se puede esperar una sobretensión de valor infinito.

Se comprueba que el riesgo de fallo puede aumentarse o disminuirse si se traslada la

curva de soportabilidad del aislamiento, F a(u), hacia la derecha o hacia la izquierda, res-

pectivamente. O dicho de otra manera, si se disminuye o se aumenta la tensión soportada

dieléctrica, U 50, del aislamiento, véase la Figura 1.12.

El aislamiento no autorregenerable, que se caracteriza por un único valor de tensión

soportada, constituye un caso particular. La Figura 1.13 muestra el cálculo del riesgo de

fallo para este tipo de aislamiento. Este valor se puede obtener mediante la siguiente ex-presión:

R f U dU s

U

U

w

= ⋅∫ ( )max

(1.14)

0

1


f s(u) · F a(u)

Tensión

f s(u)

F a(u)

Figura 1.12. Cálculo del riesgo de fallo.




En este caso, la integral se extiende entre dos límites definidos: U w, la tensión sopor-

tada por el aislamiento, y U max, la máxima sobretensión que puede aparecer en el aisla-

miento.

El método determinista, también conocido como convencional, se aplica cuando no

es posible conocer la distribución estadística de las sobretensiones. Con este método, la

selección del aislamiento se puede realizar de forma que este soporte la máxima sobre-

tensión representativa que se puede originar. En la práctica, se suele distinguir entre ais-

lamiento autorregenerable y aislamiento no autorregenerable. En el primer caso, aisla-miento autorregenerable, se suele utilizar como parámetro de diseño el valor U 10, es decir

el valor de la tensión soportada con una probabilidad de fallo del 10 por 100.

1.5.2. Procedimiento general

El diagrama de la Figura 1.14 muestra los pasos a realizar en el procedimiento de coor-

dinación de aislamiento propuesto por la CEI [11], cuyos aspectos más importantes son

comentados a continuación.

1. El primer paso a realizar es la estimación de la tensión representativa en los

equipos o en la instalación a diseñar, teniendo en cuenta los niveles de protección

proporcionados por los dispositivos de protección instalados y el valor máximo

de la tensión de operación:

• para instalaciones de gama I se analizan las sobretensiones temporales y las

de origen atmosférico,

• para instalaciones de gama II se analizan las sobretensiones de frente lento y

las de origen atmosférico.

2. Se determina la tensión soportada de coordinación, que es la tensión soportada

que cumple los criterios de diseño en las condiciones de servicio en que funcio-

0

1


f s(u) · F a(u)

Tensión

f s(u)

F a(u)

Figura 1.13. Cálculo del riesgo de fallo en aislamiento no autorregenerable.



Introducción 25

narán los equipos o la instalación. La selección de la tensión soportada de coor-

dinación se basa, por tanto, en la tasa de riesgo aceptada y su cálculo se realiza-

rá multiplicando la tensión representativa por el factor de coordinación, K c, cuyo

valor depende del tipo de aislamiento (autorregenerable, no autorregenerable) y

del método de coordinación de aislamiento (determinista, estadístico) que es

posible aplicar.

3. La tensión soportada de coordinación se convierte en la tensión soportada espe-

cificada o requerida, que es la tensión normalizada de ensayo que el aislamiento

debe soportar para asegurar que cumplirá con el criterio de diseño. La tensiónsoportada especificada se obtiene multiplicando la tensión soportada de coordi-

nación por un factor de seguridad , K s, que compensa las diferencias entre las

condiciones reales de servicio y las de ensayo a tensiones soportadas normaliza-

das. En el caso de aislamiento externo también se aplicará un factor de correc-

ción atmosférico, K a, que tenga en cuenta las diferencias entre las condiciones

ambientales de servicio y las normalizadas.

4. Se selecciona el conjunto de tensiones soportadas normalizadas que satisfacen

las tensiones soportadas especificadas. La tensión soportada normalizada es la

tensión aplicada en un ensayo de tensión normalizado, y su selección permite

justificar que el aislamiento aguantará las tensiones soportadas especificadas que

Análisis del sistemaCálculo de la tensión representativa

U rp

Cálculo de la tensión soportadade coordinación U cw

(Factor de coordinación K c)

Cálculo de la tensión soportada requerida U r w

(Factores de seguridad K s y de correcciónatmosférica K a)

Selección de la tensión soportada normalizadaU w

(Factor de conversión de ensayo K t )

Selección del nivel de aislamiento normalizado(conjunto de valores U w)

y cálculo de distancias al aire

Figura 1.14. Procedimiento general de coordinación de aislamiento.




fueron estimadas en el paso anterior. La tensión soportada normalizada puede

elegirse para la misma forma de onda normalizada que la tensión soportada es-

pecificada (continua, tipo maniobra, tipo rayo) o para una forma de onda distin-ta mediante la aplicación del factor de conversión de ensayo, K t .

5. Finalmente, se selecciona el nivel de aislamiento normalizado, es decir el nivel

de aislamiento asignado cuyas tensiones soportadas normalizadas están asocia-

das a la tensión de operación más elevada según la clasificación de la CEI [10].

1.5.3. Ejemplos

Los objetivos de un estudio de coordinación de aislamiento serán distintos dependiendo

del equipo a estudiar, del tipo de aislamiento a seleccionar y de las sobretensiones que

influirán en esta selección. A continuación se detallan los objetivos, el tipo de cálculos

que se ha de realizar y las sobretensiones que será necesario estimar en la coordinación

de aislamiento de líneas aéreas de transporte y de subestaciones [3], [4].

a) Líneas aéreas: la coordinación de aislamiento de una línea de transporte puede

tener los siguientes objetivos:

• Diseñar el apantallamiento (número y ubicación de los cables de tierra) ade-

cuado frente a descargas atmosféricas, que minimice el número de contorneos

por fallo de apantallamiento.

• Diseñar una puesta a tierra efectiva que minimice la tasa de contorneos por

cebado inverso.

• Seleccionar las dimensiones de las cadenas de aisladores para soportar lassobretensiones que se puedan originar por maniobras y por descargas atmos-

féricas.

• Dimensionar las distancias en el aire entre conductores, entre conductores y

tierra, y entre conductores y apoyos.

• Decidir si será necesario instalar pararrayos, y en caso afirmativo determinar

su ubicación y sus valores nominales.

El diseño de las pantallas y de la puesta a tierra vendrá impuesto por las so-

bretensiones causadas por el rayo, mientras que el nivel de aislamiento a selec-

cionar dependerá de las sobretensiones por maniobra y las causadas por el rayo.

El nivel de contaminación puede ser decisivo en la selección de aisladores. Fi-nalmente, la instalación de pararrayos dependerá de las sobretensiones por ma-

niobra y por descargas atmosféricas, así como de la puesta a tierra que se pueda

conseguir, según el tipo de terreno en el que se instala la línea. La selección de

los valores nominales de los pararrayos dependerá de la máxima tensión perma-

nente a frecuencia industrial y de las sobretensiones temporales que se puedan

originar en la línea.

El contorneo de una línea aérea puede ser originado por sobretensiones de

maniobra o de origen atmosférico. Como criterios de diseño se han de fijar el

número de contorneos causados por el rayo por km y año, y el número medio de

operaciones de maniobra que se han de realizar para obtener un contorneo.



Introducción 27

b) Subestaciones: el estudio de coordinación de una subestación puede ser más

complejo debido al número y al tipo de componentes que es necesario considerar.

En general, los objetivos del estudio, para subestaciones de cualquier gama, pue-den ser los siguientes:

• Seleccionar el nivel de aislamiento normalizado para todos los equipos de la

subestación.

• Diseñar las pantallas (tipo, número, localización) que han de proteger los equi-

pos frente a descargas atmosféricas.

• Determinar las distancias en el aire, básicamente distancias entre fase y tierra,

y entre fases.

• Decidir si será necesario instalar pararrayos, y en caso afirmativo determinar

su ubicación y sus valores nominales.

• Decidir si será necesario instalar otros dispositivos de protección.

Como en las líneas aéreas, el diseño de las pantallas vendrá impuesto por las

sobretensiones causadas por el rayo, mientras que el nivel de aislamiento a se-

leccionar dependerá de las sobretensiones por maniobra y las causadas por el

rayo. Igualmente será necesario tener en cuenta el nivel de contaminación en la

selección de aisladores. Tanto el número como la ubicación de los pararrayos

vendrán impuestos por las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas,

mientras que la selección de sus valores nominales dependerá de la máxima ten-

sión permanente a frecuencia industrial y de las sobretensiones temporales que

se puedan originar en la subestación.

Las averías de los equipos de una subestación pueden ser provocadas, como

en el caso de las líneas aéreas, por sobretensiones de maniobra y de origen atmos-férico, aunque en una subestación también pueden ser debidas a ciertas sobreten-

siones temporales, como las originadas por una ferrorresonancia. El efecto de una

avería en una subestación puede ser mucho más importante que en una línea aé-

rea. Como criterio de diseño se suele utilizar el Tiempo Medio entre Fallos (que

corresponde a las siglas inglesas MTBF, Mean Time Between Failures). El valor

del MTBF dependerá de la tecnología empleada: para subestaciones blindadas de

SF6 (también conocidas como GIS, Gas Insulated Substations) se suele escoger

un MTBF comprendido entre 300 y 1.000 años, mientras que en subestaciones

con aislamiento externo el valor del MTBF estará entre 100 y 400 años [4].

1.6. TÉCNICAS NUMÉRICAS

1.6.1 Introducción

El cálculo riguroso de sobretensiones puede ser una tarea difícil debido a la complejidad

de los equipos involucrados y a la interacción que puede tener lugar entre ellos. La solu-

ción de un proceso transitorio es prácticamente imposible de obtener mediante cálculo

manual, incluso en redes o sistemas muy simples. En algunos casos es posible reducir

drásticamente el tamaño del circuito equivalente y aproximar el resultado mediante una

fórmula cerrada cuya solución se puede encontrar en varios manuales. Sin embargo, en la

mayoría de casos sólo es posible obtener una solución precisa con la ayuda de un ordena-




dor. Los avances que han tenido lugar durante los últimos años, tanto en equipos de cálcu-

lo como en programación de ordenadores, han permitido reducir drásticamente el tiempo

de cálculo y el coste de las simulaciones, de forma que en la actualidad el ordenador digi-tal es el medio más empleado en la mayoría de estudios de coordinación de aislamiento.

Varias técnicas han sido desarrolladas para calcular procesos transitorios mediante

ordenador digital. Básicamente se pueden dividir en dos categorías: técnicas en el domi-

nio de la frecuencia y técnicas en el dominio del tiempo. De los varios métodos propues-

tos en el dominio del tiempo, el más popular se basa en el algoritmo desarrollado por

H. W. Dommel, que combina la regla trapezoidal y el método de Bergeron. Este algorit-

mo fue el origen del EMTP ( ElectroMagnetic Transients Program), que es la herramien-

ta más empleada en el cálculo de procesos transitorios en redes eléctricas, aunque en

realidad se puede hablar de una familia de programas de cálculo basados en las mismas

técnicas numéricas. Para más detalles véase el Capítulo 8.

De los aspectos a tener en cuenta en el cálculo numérico de sobretensiones se puedendestacar los siguientes:

• la representación matemática de los componentes de la red que intervienen en el

origen y la propagación del proceso transitorio que provocará la sobretensión, y

• las prestaciones así como las técnicas numéricas implantadas en el programa que

se ha de emplear en la simulación digital.

1.6.2. Representación de componentes

Uno de los puntos más críticos que se presentan en el cálculo numérico de sobretensiones

es la selección y/o el desarrollo de modelos matemáticos adecuados. El comportamientode cualquier componente durante un proceso transitorio depende de varios aspectos, uno

de los más importantes es el rango de frecuencias que aparecen durante ese proceso tran-

sitorio. Debido a la complejidad que presenta cualquier red eléctrica, el rango de frecuen-

cias que se puede presentar es muy amplio y varía entre unos pocos Hz y unos pocos

MHz. El comportamiento de un componente en ambos extremos del espectro puede ser

muy distinto; en general, el aumento de la frecuencia en un proceso transitorio se tradu-

ce en un aumento de la resistencia, y por tanto del amortiguamiento que tendrán las os-

cilaciones. Otra influencia importante que tiene la frecuencia es el predominio de ciertos

parámetros: a bajas frecuencias los circuitos equivalentes son predominantemente induc-

tivos, mientras que a frecuencias muy elevadas, el comportamiento de cualquier compo-

nente es capacitivo y no saturable [19], [20].El margen que existe entre los dos extremos del espectro de frecuencias es tan grande

que el desarrollo de un único modelo para cualquier componente y que sea válido en todo

el espectro es prácticamente imposible. Este problema ha sido resuelto dividiendo el espec-

tro en grupos de frecuencias, para cada uno de los cuales se aconseja un modelo distinto.

Además es necesario tener en cuenta que en la selección del modelo para un componente:

• el modelo más adecuado no es necesariamente el más sofisticado ya que depen-

diendo del componente y la aplicación a estudiar, las diferencias entre un modelo

avanzado y otro más simple pueden ser mínimas, pero el tiempo de simulación

puede ser más corto si se utiliza el modelo más simple;



Introducción 29

• el uso de modelos sofisticados no es fácil, ya que en general no se suele disponer

de todos los datos necesarios, algunos datos no son fiables y su empleo no siempre

es el adecuado, lo que puede originar errores importantes.

Actualmente existe una abundante bibliografía en la que es posible consultar la re-

presentación más adecuada para cada componente. Entre los documentos más importan-

tes cabe señalar la publicación del Grupo de Trabajo 33.02 del CIGRE «Guidelines for

Representation of Network Elements when Calculating Transients» [19], en la que se

propone una representación para los componentes más importantes de una red de poten-

cia en función de la frecuencia del proceso transitorio a ser simulado, la publicación

«Modeling and Analysis of System Transients Using Digital Programs» [20], en la que

se presentan los documentos del Grupo de Trabajo del IEEE del mismo nombre, y el

informe IEC TR 60071-4, «Insulation Coordination - Part 4: Computational Guide to

Insulation Coordination and Modelling of Electrical Networks» [12].Existen algunos aspectos que es necesario tener en cuenta y cuya influencia puede

ser decisiva en el cálculo de sobretensiones:

a) Información disponible: es muy frecuente no disponer de suficientes datos o de

datos suficientemente fiables para poder realizar una simulación digital con ga-

rantías. Un análisis de sensibilidad o la propia experiencia del usuario del progra-

ma servirán de ayuda para decidir sobre la importancia de estos parámetros. En

última instancia casi siempre será posible consultar alguna bibliografía en la que

se indique el rango de valores más probable. Además conviene tener en cuenta

que algunos parámetros de muchos equipos cambian con las condiciones climá-

ticas, por ejemplo la temperatura, o son muy dependientes del mantenimiento.b) Tipo de estudio: en muchos estudios sólo es importante conocer el valor máximo

que se obtiene durante la simulación transitoria. Este valor se presenta muy fre-

cuentemente durante la primera oscilación. En algunos casos el cálculo preciso

de este valor máximo no dependerá de la precisión con la que están representadas

las pérdidas en los principales componentes de la red, pero sí de la precisión de

inductancias y capacidades.

c) Complejidad del sistema: es importante reducir al máximo el tamaño del sistema

que se ha de representar en el modelo, ya que una representación muy detallada

puede resultar en un tiempo excesivamente largo y cuantos más componentes

tenga el sistema a simular, más elevada es la probabilidad de realizar una repre-

sentación insuficiente o incorrecta.

1.6.3. Prestaciones de un programa de cálculode sobretensiones

La mayoría de los paquetes de simulación empleados en el cálculo numérico de procesos

transitorios en redes eléctricas están formados por al menos tres programas con las si-

guientes funciones:

• un preprocesador gráfico, cuyo objetivo es crear o editar el archivo de entrada en

el que se representa la red en estudio en el código adecuado;




• un procesador, cuyo objetivo es realizar el cálculo numérico propiamente dicho;

• un postprocesador, cuyas funciones serán visualizar y/o analizar los resultados ob-

tenidos en la simulación.

Básicamente, un programa para cálculo digital de sobretensiones debe disponer de

las siguientes opciones [21], [22]:

a) Cálculo en régimen permanente y transitorio: el algoritmo de cálculo en régimen

permanente es necesario para evaluar las condiciones iniciales con las que se

inicia un proceso transitorio o para determinar condiciones de resonancia que

puedan originar sobretensiones peligrosas. Evidentemente, el algoritmo de cálcu-

lo en régimen transitorio es el que permitirá determinar la mayoría de sobreten-

siones en redes de potencia. En general, el algoritmo de cálculo de régimen

permanente estará basado en un método frecuencial, lo que puede representar

una limitación muy seria ya que no siempre será posible el cálculo inicial de una

red con elementos no lineales o de topología variable.

b) Modelos de los componentes de una red de potencia: de lo mencionado anterior-

mente sobre representación de componentes se deduce que el programa a em-

plear en el cálculo de sobretensiones debe disponer de modelos internos para los

principales componentes de la red en los que sea posible representar su depen-

dencia con la frecuencia, y en algunos casos (por ejemplo, transformadores y

pararrayos) su comportamiento no lineal.

c) Procedimientos de cálculo: la evaluación estadística de sobretensiones es funda-

mental para determinar con rigor la tasa de fallos de los equipos. Las prestacio-

nes que un programa de cálculo numérico requiere para poder realizar este tipo

de procedimientos son básicamente tres: una opción que permita repetir la simu-

lación del proceso transitorio que origina la sobretensión tantas veces como sea

necesario; una opción que permita cambiar en cada simulación todos los pará-

metros que sean necesarios, de acuerdo con una ley de variación estadística; fi-

nalmente, una opción que permita determinar la distribución estadística de so-

bretensiones, de acuerdo con los resultados obtenidos en las simulaciones.

Para más detalles sobre estos temas véanse los Capítulos 7 y 8. Las prestaciones del

paquete de simulación ATP ( Alternative Transients Program) empleado en este texto se

resumen en el Anexo B. El Capítulo 9 presenta algunos ejemplos de aplicación de esta

herramienta en el cálculo de sobretensiones.

1.6.4. Tendencias actuales

El desarrollo de herramientas de simulación digital adecuadas para el cálculo de procesos

transitorios y de sobretensiones en redes eléctricas de potencia presenta algunas tenden-

cias que conviene tener en cuenta:

a) Desarrollo de preprocesadores gráficos: la aparición de algunos procesadores

gráficos muy potentes y sofisticados ha facilitado el empleo de ciertos programas

y ampliado su popularidad. La tendencia actual es la de potenciar estas herra-



Introducción 31

mientas y facilitar su empleo por usuarios que no estén muy familiarizados con

la simulación digital de procesos transitorios.

b) Desarrollo de sistemas abiertos: una tendencia actual en el desarrollo de los pro-gramas transitorios es la de posibilitar el enlace en tiempo real o tiempo de eje-

cución con otros programas, por ejemplo MATLAB, y aprovechar las ventajas

que puedan ofrecer las prestaciones de estas herramientas adicionales.

c) Desarrollo de herramientas híbridas: la posibilidad de construir «programas a

medida» aprovechando prestaciones de varios programas o paquetes muy distin-

tos es otra tendencia a tener en cuenta.

Para un estudio más detallado de las herramientas actualmente disponibles para cálcu-

lo numérico de procesos transitorios y su desarrollo futuro ver [23].

1.7. ALCANCE DEL TEXTOEl libro se ha dividido en varios bloques cuyo contenido y objetivos se comentan a con-

tinuación.

El primer bloque lo forman los dos siguientes capítulos. La primera aproximación a

la selección de aislamiento impone que el nivel de aislamiento de los equipos sea igual

al nivel de las sobretensiones a las que se verán sometidos. El cálculo de sobretensiones

es una tarea fundamental en el análisis y la selección de aislamientos. El Capítulo 2 pre-

senta un resumen del origen y del alcance de las sobretensiones más importantes y fre-

cuentes en redes eléctricas de alta tensión. El capítulo sólo presenta un resumen debido

a que es un tema sobre el que existe una abundante bibliografía. El tema central del Ca-

pítulo 3 es la caracterización del aislamiento. Es un área fundamental sobre el que noexiste mucha bibliografía y sobre la que no se incluye mucha información en la mayoría

de textos sobre Coordinación de Aislamiento.

El segundo bloque del libro lo forman los Capítulos 4, 5 y 6, que presentan los mé-

todos más empleados para limitar las sobretensiones. Existen varias razones para realizar

la puesta a tierra de los equipos eléctricos: garantizar la seguridad de las personas y de

los animales, y proteger las instalaciones así como los equipos sensibles; cuando se trata

de sobretensiones, y sobre todo de sobretensiones de origen atmosférico, la puesta a tie-

rra tiene como objetivo la limitación de estas sobretensiones. El Capítulo 4 presenta una

introducción a los conceptos fundamentales de la puesta a tierra de equipos e instalacio-

nes eléctricas y de la caracterización de esta puesta a tierra frente a procesos transitorios

de alta y baja frecuencia.Las sobretensiones de origen atmosférico son una de las principales causas de fallos

y averías en redes e instalaciones de alta tensión. La instalación de pantallas es uno de

métodos más empleados para evitar el impacto de una descarga atmosférica sobre equipos

eléctricos o de limitar el efecto de una descarga que pueda impactar cerca de estos equi-

pos. El Capítulo 5 presenta una introducción muy completa al análisis y diseño de los

métodos más efectivos de apantallamiento de líneas aéreas y de subestaciones frente a

descargas atmosféricas.

El tema central del Capítulo 6 son los pararrayos o autoválvulas. Las sobretensiones

que se propagan por los cables conductores de una red, independientemente de su origen,

pueden ser limitadas mediante la instalación de pararrayos. El Capítulo 6 presenta una




introducción de las autoválvulas de óxidos metálicos como un medio muy eficaz de pro-

teger equipos eléctricos frente a sobretensiones de todo tipo y origen. El capítulo detalla

las características más importantes de estos dispositivos, analiza el procedimiento de se-lección y discute los aspectos a tener en cuenta en su ubicación óptima.

El siguiente bloque de capítulos está dedicado al cálculo numérico de sobretensiones.

Los avances en medios y herramientas de cálculo han hecho posible que actualmente se

pueda estimar con gran precisión las características más importantes de las sobretensiones

que se originan en las redes eléctricas de alta tensión. Sin embargo, la tarea no es fácil y

requiere de ciertos conocimientos que no se limitan a saber manejar un programa de cálcu-

lo numérico. El cálculo de sobretensiones mediante ordenador empleando una herramien-

ta especializada requiere una serie de pasos: primero, la selección del modelo matemático

más adecuado para representar los componentes cuya influencia es fundamental en las

sobretensiones que se desean analizar o calcular; segundo, la recogida y, si fuera necesario,

la conversión de datos para obtener los parámetros que es necesario especificar en cadacomponente del modelo desarrollado; tercero, y final, la aplicación de una herramienta de

cálculo que disponga de todas las prestaciones necesarias para entrada, salida y postpro-

cesamiento de resultados. El comportamiento de cualquier componente eléctrico durante

un proceso transitorio depende de las características del proceso transitorio, principalmen-

te del rango de frecuencias que se presentan en el proceso. El Capítulo 7 presenta las di-

rectrices a seguir en la representación y selección de los modelos de los componentes más

importantes de una red eléctrica en el cálculo numérico de sobretensiones.

Los algoritmos implantados en los programas de cálculo transitorio más empleados

en la actualidad se presentan en el Capítulo 8. Se trata de un tema importante ya que es

fundamental que el usuario de un programa conozca el alcance y las limitaciones de estos

algoritmos. El Capítulo 9 presenta el cálculo práctico de tres tipos de sobretensiones enredes eléctricas de alta tensión mediante ordenador. Los tres casos cubren un elevado

número de opciones ya que se trata de tres aplicaciones muy distintas en las que se pre-

sentan tanto cálculos deterministas como estadísticos, e incluso estudios de sensibilidad.

Para los tres casos se detalla el procedimiento completo que abarca desde la selección de

modelos hasta el análisis de resultados, pasando por la recogida de datos y la implanta-

ción en el programa de cálculo empleado en este libro.

El último bloque del libro lo forman los tres últimos capítulos que presentan la Guía

de Aplicación de Coordinación de Aislamiento recomendada por la CEI y una selección

muy completa de casos prácticos basados en esta guía. El Capítulo 10 presenta una des-

cripción detallada de la guía; se trata, por tanto, de un capítulo fundamental de este libro,

en el que se pretende acercar al lector de forma rápida y asequible a los principios fun-damentales de la selección de aislamientos. El capítulo analiza todos los aspectos impor-

tantes de la guía de aplicación: los pasos a realizar en el procedimiento de selección del

aislamiento, los factores a tener en cuenta en cada paso y las opciones que conviene ana-

lizar en función del nivel de tensión de los equipos e instalaciones eléctricas en estudio.

El Capítulo 11 está dedicado al estudio de instalaciones de la gama I, esto es de instala-

ciones con tensiones iguales o inferiores a 245 kV. El Capítulo 12 presenta el estudio de

dos casos de gama II, es decir con tensiones superiores a 245 kV, mediante el empleo del

programa MATHCAD.

El libro también incluye dos anexos, que no son vitales para el seguimiento de los

capítulos descritos anteriormente, pero cuya importancia es indudable. El Anexo A pre-



Introducción 33

senta una breve introducción al método de Monte Carlo, el procedimiento más empleado

en todo tipo de cálculos con variables de naturaleza aleatoria. El Anexo B es un resumen

de las características más importantes del ATP, una de las herramientas de cálculo tran-sitorio más difundidas actualmente, y que ha sido empleada en los casos prácticos deta-

llados en el Capítulo 9.

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Comportamiento del aislamiento eléctrico

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