CoordinacióN De La Aislacion

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COORDINACIÓN DE LA AISLACION CORDOBA HERNAN

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COORDINACIÓN DE LA AISLACION CORDOBA HERNAN

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INTRODUCCIÓN

Es uno de los aspectos más importantes en el diseño de estaciones.

Las fallas más frecuentes son las ocasionadas por la ruptura dieléctrica de los medios aislantes.

Tales niveles de aislación demandarán mayores costos de instalación, con incidencia muy significativa

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Definiciones

IRAM 2211 (adaptación de la IEC Publication 71/1967): “Conjunto de disposiciones tomadas: con el objeto de evitar daños a los aparatos eléctricos debido a

sobretensiones, y para localizar las descargas de arco (cuando no se las puede

evitar económicamente) en los puntos en los cuales no pueden causar daño.

Estos objetivos se logran estableciendo una adecuada correlación entre: las condiciones que debe resistir la aislación de los aparatos, las sobretensiones a las que pueden estar sometidos en

servicio, y las características de los dispositivos de protección contra

sobretensiones”.

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DEFINICIONES

IEC Publication 71/1976: “Comprende la selección de los niveles de aislación de

aparatos y equipos, y su implementación, en función de las tensiones que pueden aparecer en la red a que dichos equipos están destinados, y tomando en consideración las características de los dispositivos de protección disponibles, todo ello realizado de modo que se reduzca a un nivel aceptable, desde los puntos de vista técnico (de operación) y económico, la probabilidad de que las solicitaciones dieléctricas que los equipos han de soportar deterioren su funcionamiento o afecten la continuidad de servicio”.

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Razones

Tendencia a operar: Con mayores transferencias de potencia con mayores voltajes nominales de

operación

Calidad de Servicio. Se expresa en términos de la duración y la

frecuencia de las interrupciones de servicio.

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Aspectos a tener en cuenta

Determinación de las solicitaciones dieléctrica.

Investigar el comportamiento de los aislamientos bajo tales solicitaciones, en distintas condiciones ambientales.

Definir los niveles de aislación adecuados. el grado de confiabilidad requerido un riesgo aceptable de falla

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SOLICITACIONES DIELÉCTRICAS

Tipos: Normales: IEC 71-1 (1976), art. 39 a

Aspectos relevantes envejecimiento natural condiciones de contaminación

En lo concerniente a la tensión de servicio normal, el aislamiento

debe soportar en forma permanente la máxima tensión

del equipamiento.

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VIDEO LIMPIEZA DE AISLADORES EN AT

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SOLICITACIONES DE INTERÉS

Norma IEC 71-1, artículos 3,4 y 5.Tensión nominal del sistemaTensión máxima del sistemaMáxima tensión del equipamiento (Um)

Todas las solicitaciones dieléctricas que el equipo debe soportar están

referidas a esta Um

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CLASIFICACIÓN SEGÚN SU ORIGEN Sobretensiones de Origen Externo

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INCIDENCIA SOBRE LA RED ELÉCTRICA

Los fenómenos atmosféricos, y principalmente las caídas de rayos, producen ondas viajeras, que provocan, según estadísticas:

el 26% de las interrupciones en servicio en líneas de 230 kV

el 65% de las interrupciones de servicio en líneas de 345 kV

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SOBRETENSIONES TRANSITORIAS POR INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA

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IIMPACTÓ DE RAYOS

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CONSIDERACIONES ESTADÍSTICAS Y OPERATIVAS

Transitorio y Fugaz En el caso de las descargas atmosféricas

puede producirse el contorneo de los aisladores, sin destruirlos.

También las oscilaciones de las líneas por acción del viento pueden provocar fallas momentáneas entre las fases.

Ramas y pájaros, u objetos transportados (ej. trozos de cable) por éstos también pueden provocar fallas fugaces.

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SOBRETENSIONES DE ORIGEN INTERNO Tales sobretensiones se caracterizan por tener:

Un estado estacionario inicial Un estado transitorio intermedio (caracterizado por variaciones

amortiguadas de tensión) Un estado estacionario final

Las causas más importantes que las originan son: Energización / reenergización de líneas largas Irrupción o supresión abrupta de fallas Interrupción de corrientes capacitivas o inductivas Desconexión de cargas en el extremo de una línea

larga Etc.

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CLASIFICACIÓN SEGÚN LA FORMA DE ONDA DE LA SOBRETENSIÓN

Descargas atmosféricas Sobretensiones de maniobra Sobretensiones temporarias

Estacionarias o con variaciones lentas de amplitud.

subsiguientes a sobretensiones de maniobra por efecto Ferranti por autoexcitación de generadores De frecuencia industrial Ferrorresonancia Sobretensiones temporarias continuas

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Condiciones de Servicio

Ambientales a1) Atmosféricos a2) Meteorológicos a3) De contaminación

Otros Envejecimiento Esfuerzos mecánicos Impactos Calentamiento propio o excesivo del servicio Choques térmicos etc.

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REDUCCIÓN Y CONTROL DE LAS SOBRETENSIONES

Medidas Sin falla de la aislación Con falla de la aislación

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ONDAS NORMALIZADAS

Comportamiento de los aislamientos frente a las distintas solicitaciones no es fácil de inferir.

Para ello se recurre a pruebas de laboratorio a escala real, ya sea sobre prototipos o sobre los equipos completos, para estudiar y conocer cuál es el comportamiento más probable del aislamiento frente a las condiciones operativas esperables.

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TIPOS Sobretensión de impulso atmosférico (IEC Publ. 60,

IRAM 2318) (V. Figura DRF_401.jpg)

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PARÁMETROS

Para una onda de corriente, se calcula mediante la expresión: Para ondas de tensión con un tiempo de frente

menor o igual que 30 [s], es la duración virtual del frente de onda, en [s].

tfv = 1.67 (t0.9 – t0.3) [μseg]

tf = tiempo de frente (Rise Time o Front Time) Para ondas de tensión con un tiempo de frente menor

o igual que 30 [s], es la duración virtual del frente de onda, en [s].

tfv = 1.67 (t0.9 – t0.3) [μseg]

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PARÁMETROS Origen convencional de tiempos en

una onda de impulso. norma IRAM 2318

Para ondas de tensión Para ondas de corriente

Pendiente convencional del frente de onda

tc = tiempo de cola(Tail Time) = 50 [s] ± 20%

U = valor de cresta ( ó valor de pico) = valor normalizado ± 3%

ˆf

f

Up

t

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ESPECIFICACIÓN TÍPICA (VALORES CONVENCIONALES)

Especificación típica (valores convencionales): 1.2 / 50 [s].

Ecuación estándar

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SOBRETENSIÓN DE IMPULSO DE MANIOBRA (IEC PUBL. 60)

Especificación típica (valores convencionales): 250/ 2500 [s]

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Sobretensiones (AC) de frecuencia industrial

Sobretensiones continuas (DC) Ensayos DRF_403.jpg La evaluación de un ensayo

por comparación simple (pasa / no pasa) (“pass/fail”) por evaluación de comparación de formas de onda.

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GENERADORES DE IMPULSOS (REF. [8])

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GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA

Frente de Onda

Como R2 >> R1, que R2 se comporta como un circuito abierto

1

1. 211 2

C CRC C

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GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA

Cola de Onda

2 2( 1 2)R C C

Parámetros( 1 2)

1 21. 2

L C CR

C C

1 0.4 0.512 2.5 2 2 2.5 2 2

frenteT T aR

a veces C a veces C C

2 50 71.42

0.7 ( 1 2) 0.7 1 1

TR

C C C C

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GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA

Conexión Alternativa

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RENDIMIENTO DE TENSIÓN DEL GENERADOR

Tensión máxima de impulso

Tensión continua de entrada

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AISLAMIENTOS Tipos Según su emplazamiento (IRAM 2211,

Arts. C-6 a C-9) Aislación externa: - para exteriores

- para interiores Aislación Interna

Según su comportamiento después de una descarga disruptiva (IEC 71-1, Arts. 10 – 11) Autorregenerativos (“self-restoring

insulation”) No autorregenerativos

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CURVA CARACTERÍSTICA TENSIÓN – TIEMPO DE UN AISLAMIENTO

Las solicitaciones se caracterizan por los siguientes atributos: magnitud y polaridad de la tensión aplicada duración forma de la onda número de solicitaciones reiteradas frecuencia de repetición

La ruptura puede presentarse: en el frente, en la cresta o en la cola

de la onda de impulso de ensayo.

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CURVA CARACTERÍSTICA U - T FRENTE A ONDAS DE IMPULSO ATMOSFÉRICAS

GP 51_52.jpg

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GEOMÉTRICO DE LOS PUNTOS DE LA CURVA CARACTERÍSTICA

Sobre el frente de la onda (tramo (a) de la curva de la Fig. DRF_405.jpg) Ocurre cuando las aplicadas >> , trupt < Tcr)

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Estadísticamente en el pico de la onda aplicada, correspondiente a la curva “critical or 50% impulse flashover voltage” descripta anteriormente, cuyo lugar geométrico está dado por las coordenadas: t = Tcr = Tiempo crítico= Valor de cresta de la curva “critical or

50% impulse flashover voltage” (Fig. DRF_405.jpg), que tiene lugar cuando t = Tcr = Tiempo crítico

En la cola de la onda (tramo (b) de la curva de la Fig. DRF_405.jpg) La disrupción ocurre cuando las aplicadas > , siendo conveniente

consignar aquí que cada punto del tramo (b) de la característica tensión – tiempo está dado por el par (trupt, ), siendo:

(de cresta) es la tensión de cresta de la onda aplicada, que ha debido soportar el aislamiento antes de la ruptura dieléctrica en la parte descendiente de la misma (cola)

trupt , que se consigna en el momento de la ruptura dieléctrica, medido a partir de t = 0. (Ver también Fig. GP_51_52.jpg (abajo))

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CARACTERÍSTICA U-T FRENTE A ONDAS DE IMPULSO DE MANIOBRA

Para tiempos t Tcresta de la onda aplicada, los valores de la onda cercanos a (de cresta) varían mucho más “lentamente” (es decir, la onda de impulso de maniobra es considerablemente más suave y más “chata”, y sus valores se mantienen un tiempo suficiente como para asegurar con certeza la ocurrencia de una descarga disruptiva completa, si se ha superado el valor de cresta de tensión crítica de ruptura correspondiente a la forma de onda utilizada.

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LUGAR GEOMÉTRICO DE LOS PUNTOS DE LA CURVA CARACTERÍSTICA

Fig. JR_06.jpg

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CARACTERÍSTICA U-T PARA SOLICITACIONES DE FRECUENCIA

INDUSTRIAL Para estudiar cómo se comporta un aislamiento

sometido en forma permanente o alternada a una tensión U de frecuencia industrial (50...60 [hz]), se aplica ésta partiendo de una amplitud 0 (o muy pequeña), y se la va incrementando rápidamente en amplitud, hasta alcanzar en unos pocos segundos un valor pre-establecido, y manteniendo esa solicitación hasta que: se produzca una descarga disruptiva, o

alternativamente transcurra tanto tiempo que la ocurrencia de la

descarga se pueda razonablemente descartar.

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Lugar Geométrico de los puntos de la Característica

Fig. JR_07.jpg

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Característica u-t Compuesta

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CASOS PARTICULARES DE AISLAMIENTOS Transformadores

NK_08_20a.jpg

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NIVELES DE AISLACIÓN

Un aislamiento suele especificarse en términos de niveles de aislación, que son los valores de voltaje que el aislamiento deberá superar bajo condiciones de ensayo, para ser considerado apto en la aplicación prevista.

Nivel de aislación básico (BIL) Es el nivel de aislación a tensiones de impulso de tipo atmosférico:

1.2 / 50 [s]. Este nivel se fija para:

cada tensión nominal, y cada equipo

Nivel de Aislación a impulsos de Maniobra (SIL) Nivel de Aislación a Frecuencia Industrial de Corta

Duración: Es el nivel de aislación para ensayos a 50 [hz], durante 1 minuto

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NORMAS APLICABLES

IRAM 2211/72: “Coordinación de la aislación eléctrica”. (Oct. 1972, 12 pág.)

2211-1 (Mayo 1985): Definiciones, principios y reglas 2211-2 (Mayo 1988): Guía de Aplicación 2211-3 (Julio 1988): Principios, reglas y guías de aplicación

IEC 38 (1975): “I.E.C. Standard Voltages” (5th. Edition, 1975, 11 pág)

IEC 71-1 (1976): “Insulation Coordination – Part I: Terms, definitions, principles and rules” (6th. Edition, 1976, 45 pág)

IEC 71-2 (1976): “Insulation Coordination – Part II: Application Guide” (2nd. Edition, 1976, 127 pág)

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PROCEDIMIENTOS PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOS

Aislamientos en Paralelo

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PROTECCIÓN CON EXPLOSORES

Figura NK_08_20a.jpg

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1ER. CASO Pueden darse 3 sub-casos

Para ondas impulsivas û(de cresta) > Up

Para ondas cuya û (de cresta) < Up

Para ondas cuya û(de cresta) = Up

2DO. CASOSea una onda (atmosférica o de maniobra) cuyo valor de cresta û (de cresta) ocurre en Tcr > trp . En síntesis, para cualquier onda de solicitación tal que:su magnitud no supere el valor Up, ysu frente de onda no supere la pendiente Up/tp

en el punto de la red considerado,un dispositivo protector “E” será eficaz frente a ella, si su curva característica V – t queda a la izquierda de la curva del dispositivo a proteger “A”.

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PROCEDIMIENTO GENERAL

Aspectos a considerar 1°) Para cada equipo, seleccionar la aislación

adecuada para soportar las solicitaciones previstas. Esto implica coordinar los niveles de aislación con la solicitaciones, en forma localizada

2°) Coordinar los diferentes niveles de aislación de todos los equipos entre sí, y con los dispositivos de control y protección, para que:

el costo sea mínimo se satisfaga la figura de “riesgo de falla” especificado

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NIVELES NORMALIZADOS DE AISLACIÓNEl cuadro II tiene dos zonas:- la izquierda, que describe niveles de tensión (5 columnas)

Un = tensión nominal del sistema entre fases Um = tensión máxima (del sistema) entre fases Ud = tensión nominal del descargador = máxima tensión efectiva

de protección Up = nivel de tensión de protección del descargador

- La derecha, que describe las tensiones de ensayo, para distintos equipos de potencia, para los ensayos de:

frecuencia industrial (50 hz) de corta duración (1’) impulso

Cuadro III: tiene 5 columnas:- Um = máxima tensión eficaz del equipamiento (tensión compuesta, o de línea)- Ub fase = Tensión Base de fase = Um . (2 / 3) = valor pico (*2) de la tensión de

fase (/3) cuya tensión de línea es Um. (Se utiliza para expresar las tensiones en p.u.)

- Umáx maniobra (para impulsos de maniobra) = k [p.u.] * Ub fase

donde k define valores de ensayo (mínimos, máximos) a través de coeficientes [p.u.], referidos al valor de Umáx.

- R = razón [p.u.] entre valores de la 3ª. y 5ª. columna. Son siempre mayores que 1.

- Umáx. atmósferica (para impulsos atmosféricos)

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COMPLEJIDAD DE LOS DISTINTOS ENFOQUES

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CON RESPECTO AL TIPO DE SOLICITACIÓN La Figura 10 ilustra:

en las abscisas, la tensión nominal del sistema (en [kV])

en las ordenadas, el nivel de las solicitaciones, según su tipo (en [kV])

Curva A: Ub fase (v. Cuadro III) para tensiones de frecuencia industrial

Curva B: U máx por sobretensiones atmosféricas (600 kV)

Curva C: A + B Curva D: U máx por sobretensiones de maniobra = k

* A

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CON RESPECTO A LAS DISTANCIAS DISRUPTIVAS EN AIRE

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CON RESPECTO A LA INVERSIÓN EN AISLACIÓN

En síntesis, de lo dicho, resultaría entonces perfectamente justificable emplear dispositivos de control y reducción de sobretensiones de maniobra hasta niveles cercanos a 1.5 [p.u.]

Al hacer esto, uno se aproxima a los valores de las máximas sobretensiones temporarias a 50 hz, que imponen restricciones a la aplicación de descargadores como dispositivos de protección.

El problema se torna complejo si se debe tener en cuenta el problema de contaminación superficial de las aislaciones externas del aislamiento, que puede exigir una dr mayor que la dr necesaria para afrontar las sobretensiones de maniobra.

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GUÍA PARA LA COORDINACIÓN DE LA AISLACIÓN EN EATBloque Tarea a realizar

1 Determinación de la Tensión de servicio

2Determinación de las características estructurales y operativas de la red (conectividad, valores de tensiones de referencia en los nodos, etc)

3 Cálculo de sobretensiones temporarias4 Cálculo de sobretensiones de maniobra

5Con la referencia de 2. y los resultados de 3., se adopta un nivel de aislación general (para todos los equipos – autorregenerativos o no – del sistema)

6

3, 5 se eligen los descargadores de sobretensiones. Su Vnominal debe ser ligeramente superior a las máximas sobretensiones temporarias.- Se adopta el número, asignación y posición de los

descargadores destinados a proteger a los aislamientos no auto-regenerativos.

- Se fija el nivel de protección obtenido, vg. la magnitud (en kV) a la que quedan reducidas las máximas sobretensiones atmosféricas por acción de los descargadores

7

Para los aislamientos no auto-regenerativos, se calcula:5, 6 BIL 1.25 · Up del descargador

(1.25 = factor de seguridad)4 BSIL (según respuesta de los descargadores a las sobretensiones de maniobra)3 NAIM para las sobretensiones temporarias- Punto de decisión:- Si los aislamientos son muy costosos, volver al punto 2 y replantear la estructura y/o los valores

operativos de referencia de la red (procedimiento eventualmente recursivo, por aproximaciones sucesivas)

8

Una vez determinado el punto 7, con todas sus eventuales recursividades:Para los aislamientos auto-regenerativos:- Aquí no se les calcula BIL, ya que no llevan descargadores asociados. no se evalúa aquí la influencia

de las descargas atmosféricas, sino más adelante (v. Bloques 9 a 12)- 4, 5, 6 BSIL, según las máximas sobretensiones de maniobra esperables (fseguridad: entre 1.15 y 1.25)- NAIM mínimo, superior a las sobretensiones temporarias- Punto de decisión:

Si los aislamientos auto-regenerativos son muy caros, volver al punto 2 y replantear estructura y valores operativos de referencia (procedimiento recursivo), recalculando 4 y volviendo a calcular 8.

9Determinación de las características de las descargas atmosféricas en la zona geográfica de la instalación

10

Determinación de- Resistencia de p.a.t. de torres y estructuras- Cable de guardia- BIL de las líneas- Disposición de los aparatos en la subestación- Cualquier otro dato que sea relevante

119, 10 Cálculo de sobretensiones atmosféricas (kV) sobre los aislamientos auto-regenerativos (no protegidos):

12

Se elige el BIL de los aislamientos auto-regenerativos- Puntos de decisión:

1) Con respecto a los niveles de aislación Si el BIL es suficiente, y El NAIM elegido (en 8) anteriormente es compatible FIN

2) Con respecto al costo Si es demasiado oneroso, volver a 10, y replantear algunas características de la instalación

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FIN

CORDOBA HERNAN

JOSE LUIS MONTERO