COORDINACIÓN DEL AISLAMIENTO EN SUBESTACIONES

7/23/2019 COORDINACIN DEL AISLAMIENTO EN SUBESTACIONES

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Prof. Juan Bautista R.

UNI - FIEE

Conceptos

Exposicin para uso estrictamente acadmico y por tanto no se comercializa.


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Tensin anormal existente entre fase y tierra o entre fases, cuyo valor pico essuperior al valor pico de la mxima tensin de operacin normal de un equipo

(Vm) o sistema (Vs).

Tabla con las tensiones mximas para el equipo segn su respectiva

tensin nominal:

Sobretensin


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Los valores en p.u. de las amplitudes de las sobretensiones estarn

referidos al valor pico fase-tierra de la tensin ms elevada del sistema (Vs), as:

..Sobretensin

La sobretensin tiene un carcter aleatorio y variable en el tiempo es difcil de

caracterizar, sus parmetros: duracin, amplitud y efectos en el sistema son

slo una aproximacin estadstica.

Una sobretensin puede destruir el material y en consecuencia producir,discontinuidad del servicio elctrico.

21.0

3 sV pu


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En funcin de su origen:

Las sobretensiones pueden producirse por factores externos o internos a la red.

A frecuencia industrial.

De maniobra.

Atmosfricas.

Clasificacin de las Sobretensiones


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En funcin de la forma de onda y tiempo de duracin son:

Permanentes (continuas).

Temporales.

De frente lento.

De frente rpido.

De frente extra rpido.

Clasificacin de las Sobretensiones


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Se origina bajo condiciones normales de operacin, por

tanto: f = 60Hz o prxima y al ser permanente su

duracin puede corresponder al tiempo de vida del equipo.

En la prctica el valor rms de estas tensiones pueden

variar de un punto a otro del sistema, sin embargo para

efectos de estudios de coordinacin de aislamiento seasume como constante e igual al de la tensin ms

elevada de la red (Vs), que a su vez, para niveles de Alta

Tensin corresponde a la tensin ms elevada para

equipos (Vm).

Sobretensin permanente de frecuencia industrial


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De duracin relativamente larga y de frecuencias cercanas ala fundamental, se consideran como de frecuencia industrial,

y amplitudes inferiores a las de otros tipos de sobretensin.

Se originan debido a fallas a tierra u operaciones de

maniobra como por ejemplo:

rechazo de carga,efecto Ferranti y

efectos de resonancia y ferroresonancia,

De acuerdo al origen de la sobretensin se definen susparmetros caractersticos como: amplitud, forma de onda y

duracin.

Sobretensiones temporales


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FALLAS A TIERRA:

Es la ms comn: CC 1 (cada de un conductor de fase).

Menos probables: las fallas bifsicas o trifsicas en las que

la tierra no est involucrada.

La amplitud de las sobretensiones generadas depende de

la conexin del neutro a tierra en el sistema y de la

ubicacin de la falla, con el neutro conectado a tierra lasamplitudes de las sobretensiones son menores.

Causas que originan obretensiones temporales


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La magnitud depende del factor de falla a tierra (k),

tomando en cuenta valores de voltaje fase-tierra, rms y a

frecuencia industrial.

kdepende sobretodo del tipo de conexin a tierra delneutro.

T e n s i n m a s e le v a d a

e n l a s f a s e s n o f a l l a d a s

e n p r e s e n c i a d e f a ll a

kT e n s i n e n c o n d ic io n e s

n o r m a l e s d e o p e r a c i n

e n e l p u n t o d e f a l l a


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Se pueden identificar tres rangos de

factores de falla a tierra, en funcin de losvalores de la relacin:

y de acuerdo a la caracterstica de conexin a tierra

del sistema

0

1

X

X


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Debido a condiciones

resonantes:

Valores

altos se

aplica

para

sistemas

con

conexina tierra

resonante

o con

neutro

aislado

Valores

bajos de

X0/X1 esvlido para

sistemas con

el neutro

conectado a

tierra.


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El rango de valores altos de X0/X1, positivos o

negativos, se aplica para sistemas con conexin a

tierra resonante o con neutro aislado.

El rango de valores positivos y bajos de X0/X1 esvlido para sistemas con el neutro conectado a

tierra.

El rango de valores negativos y bajos de X0/X1,

que corresponde a la zona sombrada en la figura,

no es conveniente para aplicaciones prcticasdebido a condiciones resonantes.


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En EAT o UAT, normalmente el neutro estslidamente conectado a tierra, o se conecta

a travs de una resistencia de muy bajo valor.

Entonces:

1.3 k 1.4


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En EAT o UAT,

normalmente el neutro

est slidamente

conectado a tierra, o se

conecta a travs de una

resistencia de muy bajo

valor. Entonces:

1.3 k 1.4

1.3 k 1.4


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El tiempo de permanencia de la sobretensin = al tiempo deduracin de la falla, esto es, hasta que la falla sea despejada.

En sistemas con neutros conectados a tierra la permanencia

de la sobretensin es menor a 1 segundo.

Tfalla < 1 segEn sistemas con el neutro conectado a tierra a travs de un reactor

(sistema con conexin de neutro a tierra resonante) y con despeje de falla,

la duracin de la sobretensin es menor a 10 segundos.

Mientras que en sistemas sin despeje de fallas a tierra la sobretensin

puede estar presente por varias horas, razn por la cual se podra definir al

voltaje continuo de frecuencia industrial como el valor de la sobretensin

temporal mientras dura la falla.


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Rechazo de Carga.

Las sobretensiones temporales debidas al

rechazo de carga son funcin de la carga

rechazada, de la disposicin del sistemadespus de la desconexin y de las

caractersticas de las centrales de generacin

involucradas, tales como las regulaciones devoltaje y velocidad de los generadores que

actuarn para disminuir los valores de las

sobretensiones intentando llevar al sistema acondiciones normales de operacin.


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Incrementos de voltaje considerables

ocurren ante un sbito rechazo de cargaen el extremo alejado de una lnea larga

que se alimenta por su otro extremo.

Bajo estas circunstancias se produce el

efecto Ferranti, que se manifiesta por una

onda de tensin de crecimiento lineal a lolargo de la lnea, dando como resultado que

la tensin en el extremo abierto y sin carga

sea mayor que la tensin en el extremo de

la fuente.


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Los equipos ms afectados por estassobretensiones son los de la

subestacin del extremo de la lnea en

el cual ocurri el rechazo de carga.

En sistemas con lneas relativamentecortas las sobretensiones generadas

son bajas.


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V2 en VacoV1 alimentando la lnea(modelo )


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Rechazo de carga: Sistema radial.


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Antes del Rechazo de

carga.

IR

Interruptorcerrado


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Despus del Rechazo de carga.

Interruptor

abierto


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En sistemas no muy extensos un rechazo de toda la carga

puede generar sobretensiones fase-tierra con

amplitudes < 1.2 p.u, y cuya duracin puede ser de varios

minutos dependiendo del equipo de control de voltajeasociado.

En sistemas extensos un rechazo de toda la carga puede

generar sobretensiones fase-tierra cuyasamplitudes ~ 1.5 pu, e incluso superiores en presencia de

efecto Ferranti o resonancia. La duracin de estas

sobretensiones puede ser de algunos segundos.


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Las sobretensiones debidas al rechazode carga son iguales para las tres fases

del sistema y se controlan mediante

compensacin reactiva.

El uso de reactores en derivacin,capacitores en serie o compensadores

estticos, reducen la elevacin del

voltaje.


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Resonancia y Ferroresonancia:

El fenmeno de resonancia ocurre cuando un

circuito que est conformadopor inductores y capacitores lineales es

alimentado por un voltaje con una

frecuencia aproximadamente igual a lafrecuencia natural del sistema, en este caso

existe un nico punto de resonancia.


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Nota aparte sobre Resonancia

Para el circuito serie:

Si:

Se comporta como un

circuito inductivo

Se comporta como un

circuito capacitivo

Para este caso, el circuito se encontrar en

resonancia, ya que la impedancia ser resistiva

pura.(tensin en fase con la corriente).

Este tipo de circuito se denomina tambin

Resonante en Tensiones, dado que

los mdulos de las tensiones en los componentes

reactivos, son iguales pero opuestos en fase y se

cancelan.

En este caso la CORRIENTE ES MAXIMA


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Para el circuito serie:Frecuencia de resonancia


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frecuencias

Ohm


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La ferroresonancia se produce, entonces,

cuando se tiene las condiciones propicias:

Una inductancia no lineal (transformadores

de potencia, transf. Tipo inductivos yreactancias en derivacin) con circuito

magntico saturable, un condensador

(cables, lineas largas, Transf de tensin tipo

capacitivos, capacitancias serie o en

derivacin para compensacin) y una fuentede tensin.


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La ferrorresonancia aparece, principalmente

con la conexin o desconexin de

transformadores o cargas,

aparicin o despeje de fallas y

trabajos bajo tensin,

Que son eventos en los que existe la posibilidad

de una transicin brusca de un estado establenormal (sinusoidal a frecuencia de red) a otro

estado estable ferrorresonante caracterizado por

fuertes sobretensiones y por importantes tasas dearmnicos peligrosas para los equipos.


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Cmo limitar las sobretensiones temporales


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Cmo limitar las sobretensiones temporales

debido resonancia y ferroresonancia?

Desintonizando al sistema de la frecuencia de

resonancia.

y cmo se logra esto?

1. Cambiando la configuracin del sistema, o2. Utilizando resistencias damping(que se coloca

en paralelo o en serie con el circuito resonante

en serie para reducir el factor Q, o resistenciaque se coloca para aumentar la amortiguacin).


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Si se presentan sobretensiones temporales simultneas?

por ejemplo:

Falla a tierra junto con rechazo de carga u otras combinaciones,

Resultado: la necesidad de pararrayos con grados deproteccin superiores y como consecuencia niveles de

aislamiento tambin superiores.

Esto se justifica tcnica y econmicamente solamente si laprobabilidad de ocurrencia simultnea es suficientemente alta.

En la prctica la probabilidad de que las combinaciones ms

probables ocurran es baja, por lo tanto no se consideran.


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Sobretensiones de Frente lento:

Se originan ante la operacin de equipos demaniobra o sbitas modificaciones en la

topologa de la red elctrica.

Ejemplos:

energizacin y re-cierre de una lnea, inicio y despeje de fallas,

rechazos de carga y

establecimiento o interrupcin decorrientes capacitivas o inductivas.


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Sobretensiones de Frente lento.

Tambin se generan por descargas

atmosfricas sobre las lneas de transmisin

en puntos alejados a la subestacin.

Todos estos eventos provocan fenmenos

transitorios que se traducen en una onda desobretensin caracterizada por tener un

frente de onda de algunas decenas a miles

de microsegundos.


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O d t i


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Onda tpica.

Son de mayor magnitud que las sobretensiones temporales.

entre 20 y 5000 s

Valor medio de cola


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C i i b t i d F t l t


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Causas que originan sobretensiones de Frente lento

Al energizar una lnea de

transmisin en vaco la sobretensin

se origina por la discrepancia depolos en el cierre del interruptor

(cierre no simultaneo de suscontactos).

C i i b t i d F t l t


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Luego de haber cerrado la primera fase se generan

ondas de tensin en las otras dos fases, producto

de su acoplamiento.

Estas ondas se propagan a lo largo de la lnea

hasta alcanzar su otro extremo, en donde al chocar

con la impedancia de circuito abierto, se reflejan

para superponerse con las ondas que continan

propagndose, producindose as la sobretensin.



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En caso que la lnea a energizar no

termine en circuito abierto sino en un

transformador, el fenmeno se vuelve

ms complicado debido a las

caractersticas no lineales de suimpedancia y la presencia de armnicos.



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Energizacin de una lnea de transmisin en vaco:


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Elrecierre de una lnea de transmisin tiene por objetodespejar fallas transitorias, y por lo tanto tiene involucrado los

procesos de apertura y cierre de los interruptores de lnea.

Considerando el caso que el interruptor tenga que

desconectar una lnea en vaco, debido a la naturaleza

capacitiva del circuito al momento de interrumpir la corrientepor su paso por cero, la tensin estar pasando por su valor

mximo, lo cual provoca que las tres fases queden con una

tensin aproximadamente igual al valor pico de la tensin fase

tierra de la fuente de alimentacin.


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Posterior a la apertura se ejecuta el recierre,que es en donde se pueden generar altas

sobretensiones.

Esto ocurre como producto de la gran

diferencia de potencial que se puede generar

en caso de que el recierre ocurra antes dehaber drenado la carga residual o si los polos

del interruptor cierren cuando la tensin del

sistema tenga polaridad opuesta a la de la

lnea.



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De aqu que es importante contrastar

los tiempos de recierre con el tiempo

que tarda la lnea en evacuar la cargaatrapada.

Siendo este ltimo factible de modificar

con el uso de reactores o resistencias

de preinsercin en los interruptores.


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Mientras que en el caso de recierres la magnitud de


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Mientras que en el caso de recierres la magnitud de

las sobretensiones depende tambin del tipo derecierre, esto es, de si el recierre es trifsico o

monofsico.

En recierres trifsicos las sobretensiones son mayores

debido a la carga atrapada en la lnea, mientras que en

recierres monofsicos la magnitud de las

sobretensiones es incluso menor que las debidas a

energizacin, salvo en casos en los que efectos como

resonancia o efecto Ferranti sean muy significativos.

En sistemas de extra alta tensin es comn el usode interruptores con recierre monofsico.


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De acuerdo al nmero de sobretensiones

mximas por cada operacin de maniobra

que se consideren para construir la funcin

de distribucin de sobretensiones se tiene

dos mtodos:

1. el fase pico y

2. el caso pico.


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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoEn caso de no contar con simulaciones o


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pruebas que permitan la aplicacin de estosmtodos y la construccin de una funcin de

distribucin de sobretensiones existen valores

tpicos de sobretensiones estadsticas (Ve2).

Estos valores corresponden a sobretensiones

causadas por eventos especficos, en este casoenergizacin y recierre de lneas, con un 2% de

probabilidadde que igualen o superen el valor

dado para Ve2.



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La Figura siguiente muestra una guapara la seleccin de las

sobretensiones estadsticas fase-

tierra en funcin de parmetros

conocidos del sistema, sin la

presencia de pararrayos y en elextremo de la lnea donde las

sobretensiones son mayores.


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q g

Los valores presentados en la Figura son aplicables para

ambos mtodos, fase pico y caso - pico y corresponden al

resultado de pruebas y estudios de campo que incluyen el

efecto de la mayora de los factores que determinan lamagnitud de las sobretensiones.


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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoEn lo que respecta a la red de alimentacin, se


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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoq p ,

refiere a la configuracin del sistema desde el cualse energiza la lnea.

Se distingue dos posibilidades, alimentacincompleja o inductiva.

La alimentacin compleja implica tener por lo

menos una lnea de transmisin conectada entre la

barra de generacin y la lnea que alcanza la

subestacin.

Causas que originan sobretensiones de Frente lentoMientras que la alimentacin inductiva implica

alimentar la lnea que alcanza la subestacin


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Causas que originan sobretensiones de Frente lentoalimentar la lnea que alcanza la subestacin

nicamente a travs de un

transformador. La Figura muestra en forma grfica

estos conceptos.

La alimentacin compleja

alimentacin inductiva



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Adems cabe mencionar, que no se considera el uso de

interruptores con mando sincronizado.



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Siguiente.


El l d l b i d i f f (V 2) d i


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El valor de la sobretensin estadstica fase-fase (Vp2) se puede estimar en

base del valor de la sobretensin estadstica fase-tierra (Ve2) de acuerdo a

la Figura G.1, donde se ilustra valores de Ve2 en funcin de la relacin entre

los valores estadsticos fase-fase y fase-tierra. La parte superior de la curva

corresponde a las sobretensiones trifsicas por recierre, mientras que el

tramo inferior se aplica a las sobretensiones por energizacin.



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Las sobretensiones por maniobras en lneas pueden ser

controladas mediante el uso de resistencias de preinsercin en

los interruptores, el cierre controlado del interruptor,

transformadores de tensin inductivos, compensacin opararrayos.

El uso de resistencias de preinsercin es uno de los mtodos

ms efectivos para controlar sobretensiones generadas en la

operacin de interruptores.


Estas resistencias de preinsercin se conectan en serie a la


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Estas resistencias de preinsercin se conectan en serie a la

lnea previo al cierre de los contactos principales del interruptorpara una vez que el interruptor ha efectuado el cierre se forme

un divisor de tensin con la resistencia preinsertada para as

reducir la tensin inicial.

Una vez que esto ha sucedido las resistencias se cortocircuitan

para ser eliminadas del circuito.

Estas operaciones si bien producen transitorios en la lnea, con

una seleccin adecuada de la resistencia y del tiempo de su

permanencia pueden limitar las sobretensiones en gran

medida.


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En operaciones de recierre en donde se tiene

sobretensiones elevadas producto de la carga

atrapada, el uso de resistencias de preinsercin es

importante.

Sin embargo, la presencia de pararrayos de xido

de zinc, con muy buena capacidad de absorberenerga ha permitido eliminar, en algunos casos,

las resistencias de preinsercin, que en algunos

pases no han producido buenas experiencias.



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El cierre controlado del interruptor mediante el uso de interruptores

sincronizados es otra medida que junto con las resistencias de preinsercin

reducen la sobretensin a lo largo de toda la lnea.

Considerando que las sobretensiones en la energizacin son funcin de latensin a travs de los contactos del disyuntor en el instante de cierre, se

podrn disminuir si esta tensin tiende a cero.

As durante la energizacin esta condicin se cumple cuando la tensin dealimentacin pasa por cero, mientras que en un recierre, en donde existe

carga atrapada, la menor tensin en los contactos del interruptor ocurre

cuando la diferencia de potencial entre la tensin de alimentacin y la

tensin residual es nula.



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En un sistema trifsico, existen dos posibilidades parael cierre de contactos de un interruptor con el fin de

conseguir estas condiciones.

1. La primera implica cerrar las tres fases

simultneamente, cuando la tensin en una de

ellas est pasando por cero.

2. Una segunda opcin, y que brinda mejores

resultados es cerrar las tres fases

consecutivamente cuando la tensin en cada unade ellas pase por cero.



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Los transformadores de tensin inductivos

conectados en los terminales de la lnea, reducen las

cargas atrapadas en las fases despus de su

apertura, ya que sirven como camino de drenaje de

esta carga.

Dando como resultado que las sobretensiones defrente lento por el recierre trifsico subsecuente sean

comparables con las de energizacin de la lnea.


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Un evento de rechazo de carga involucra dos tipos

de sobretensiones:

1. Una sobretensin transitoria que se genera en los

primeros ciclos subsecuentes a la apertura del

interruptor que desconecta la carga rechazada y,

que corresponde a una sobretensin de frente

lento, y,

2. Una sobretensin sostenida que aparece

posterior al transitorio que a su vez correspondea la sobretensin rechazo de carga ya analizada.

Rechazo de carga:


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Interrupcin de una corriente capacitiva.- para analizar esta maniobra se


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considerar un circuito de carga capacitiva alimentado a travs de una fuente

inductiva. La Figura muestra el circuito de carga capacitiva y el comportamiento

de las ondas de corriente y tensin asociadas.

Tal como se muestra en la figura, previo a la apertura de los contactosdel disyuntor la corriente adelanta 90 a la tensin, ya que es

predominantemente capacitiva. Con el fin de interrumpir la corriente,

los contactos del disyuntor se abren pero la corriente contina

fluyendo hasta su siguiente paso por cero donde el arco pierdeconductividad y la corriente se interrumpe, en este instante la tensin

est en su valor mximo.


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90

0

Antes de la apertura del

circuito

predominantementeCapacitivo


0

El borne 2

queda cargado

con el valor V2


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90

0

Apertura de un circuito

predominantemente

Capacitivo

Apertura del

Interruptor. La I

sigue pasando

hasta su siguiente

paso por 0, aqu la

V es max.

V1 es max eneste punto


0


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Formas de onda

de corriente y

tensin

90

0

Apertura de un circuito

predominantemente

Capacitivo

Apertura del

Interruptor la I

sigue pasando

hasta su siguiente

paso por 0, aquila V

es max.


La corriente se ha interr mpido el capacitor de carga C2 q eda cargado a la


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La corriente se ha interrumpido y el capacitor de carga C2 queda cargado a latensin mxima de la fuente +1 p.u. Conforme la tensin de la fuente cambia de

polaridad, la tensin de reestablecimiento en el disyuntor aumenta hasta que la

tensin de la fuente alcanza su valor mximo y la de reestablecimiento un valor

de 2 p.u. En este punto del proceso, si entre los contactos del disyuntor no hay

una rigidez dielctrica suficiente se producir el reencendido del arco, como es elcaso de la figura.

Una vez que ha ocurrido la reignicin, la corriente vuelve a ser interrumpida a su

paso por cero, dejando al capacitor cargado a una tensin superior, de incluso 3

p.u. Una segunda reignicin podra ocurrir cuando la tensin dereestablecimiento alcance su nuevo valor mximo de hasta 4 p.u. Si nuevas

reigniciones ocurren este proceso podra ser recurrente y la tensin podra ir

incrementndose cada vez ms, en la prctica la falla del aislamiento

interrumpira el proceso. En sistemas de potencia, este tipo de corrientes aparecen ante

la aperturade lneas de gran longitud en vaco, o bancos de condensadores.


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Si el arco se extingue sin que ocurra reignicin como se


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Si el arco se extingue sin que ocurra reignicin como semuestra en la Figura (b), la tensin del lado de la carga

oscilar a una frecuencia mayor que la fundamental

debido al efecto de las capacitancias parsitas

representadas en C2y la inductancia de carga L2, en esteinstante la tensin de reestablecimiento crece

instantneamente hasta su valor mximo para luego

amortiguarse.

Causas que originan sobretensiones de Frente lentoDebido a que la tensin de reestablecimiento se aplica entre los contactos

del interruptor pueden existir condiciones de reignicin en cuyo caso la


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del interruptor, pueden existir condiciones de reignicin, en cuyo caso lacorriente vuelve a circular y la tensin del lado de la carga trata de seguir a la

tensin del lado de la fuente. Luego, una vez que la corriente pase por cero y

se extinga el arco la tensin de reestablecimiento vuelve a alcanzar su valor

mximo que debido a estas condiciones es mucho mayor que en caso de no

tener reignicin, alcanzando incluso valores mayores que la tensin de lafuente.

Este proceso se ilustra en la Figura (c) y puede

repetirse varias veces en funcin del nmero de

reencendidos, provocando que la tensin del

lado de la carga aumente considerablemente.Cabe notar que el arco se extingue cuando la

corriente del inductor de carga pasa por cero y

por lo tanto la energa ser inicialmente

almacenada en el capacitor. Por lo tanto, la

razn por la cual la tensin tiende a

incrementarse es un fenmeno capacitivo.


Interrupcin de una corriente inductiva


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Interrupcin de una corriente inductiva

Circuito Inductivo


Interrupcin de una corriente inductiva Circuito Inductivo


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Interrupcin de una corriente inductiva, Circuito Inductivo

b) Transitorio durante la interrupcin

de una corriente inductiva, sin

ignicin

c) Transitorio durante la

interrupcin de una corriente

inductiva, con reignicin


La Figura muestra en forma independiente las formas de onda de

voltaje y corriente durante la apertura de una corriente inductiva, tomando como


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voltaje y corriente durante la apertura de una corriente inductiva, tomando comobase el circuito de la Figura (a) antes analizada.

Formas de onda de

corriente y tensin

durante la interrupcin

de una corriente

inductiva.


En sistemas de potencia este tipo de


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En sistemas de potencia, este tipo desobretensiones aparecen ante la interrupcin de

corrientes de magnetizacin de transformadores o

reactores y ante la interrupcin de corrientes dearranque en motores.

Para evitar la presencia de sobretensiones tanto de

origen capacitivo como inductivo se deber

seleccionar interruptores adecuados, con el fin de

evitar la reignicin del arco, que es la peor

condicin para la generacin de sobretensiones deesta naturaleza.


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Sobretensiones de Frente Rpido


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Las sobretensiones de frente rpido se

originan a partir de descargasatmosfricas y operaciones de maniobra,

siendo estas ltimas de menor

importancia debido a que su amplitud esmucho menor.


Las descargas atmosfricas son un fenmeno natural muy

Descargas atmosfricas:


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Las descargas atmosfricas son un fenmeno natural muy

comn, en el mundo se producen alrededor de 1000

tormentas cada da.

Lamentablemente este fenmeno natural representa un

potencial problema para las redes elctricas, principalmente

para las redes areas y a la intemperie que son las ms

afectadas, ya que se pueden generar sobretensiones quepodran provocar la falla del aislamiento de los equipos. En

una lnea de transmisin el flameo de la cadena de

aisladores no produce ningn dao, no as en los equipos de

la subestacin que podrn verse seriamente afectados.

Sobretensiones de Frente Rpido.

Descargas atmosfricas.


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En una subestacin la incidencia de una descarga atmosfrica podra

darse de dos maneras:

La primera es considerar la cada del rayo dentro del patio de la

subestacin afectando directamente a los equipos yLa segunda, que el rayo incida sobre la lnea de transmisin asociada

a la subestacin, en cuyo caso, se forman olas de sobretensin que

se propagan a travs de las lneas hasta alcanzar los equipos.

En la prctica, que una descarga atmosfrica incida dentro de la

subestacin es un evento muy poco probable, debido a que su rea

de exposicin es relativamente pequea, adems de tener el sistema

de apantallamiento. De aqu que, el estudio de descargas

atmosfricas se realizar ms bien con respecto a las descargas quealcancen las lneas.

esca gas at os cas


Por lo general las descargas atmosfricas (rayos), tienen polaridad


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negativa y se caracterizan por tener una descarga piloto o principal

seguida de algunas descargas subsecuentes, todas a travs del mismo

canal plasmtico.

Sin embargo, aproximadamente un 10% de las descargas atmosfricas

son de polaridad inversa y se caracterizan por ser de mayor amplitud y

por lo tanto ms severas que las de polaridad negativa, tambin son de

frente un poco ms lento y no presentan descargas subsiguientes.

Si bien una caracterstica importante de una descarga atmosfrica es la

corriente, esta es de muy corta duracin, razn por la cual es de mayor

inters proteger a los equipos frente a las sobretensiones que se originan

antes que de la corriente en si misma.


Las ondas de tensin de prueba estandarizadas de


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Las ondas de tensin de prueba estandarizadas deimpulso tipo rayo tienen un frente de onda de entre

0.1 y 20s y un tiempo al valor medio de cola menor

a 300 s.

La amplitud se define como un valor mximo

asumido o mediante una distribucin deprobabilidad de los valores picos. La Figura muestra

la forma de onda tpica de una sobretensin de

frente rpido.



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entre 0.1 y 20s

valor medio de cola < 300 s


La amplitud de las sobretensiones de origen atmosfrico no

tiene ninguna relacin con la tensin de servicio, ya que porl l i d ll l d


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su naturaleza aleatoria puede llegar a ser muy elevada

respecto a la tensin nominal del sistema.

Sin embargo en sistemas con tensiones nominales

mayores a 345 kV debido a su alto nivel de aislamiento, las

sobretensiones atmosfricas no son determinantes, siendo

las sobretensiones ms relevantes las de maniobra.

Los efectos de las descargas atmosfricas, y por lo tanto

las sobretensiones de frente rpido dependen del lugar en

dnde cae el rayo respecto de la red. Es as que se puedenpresentar los siguientes eventos:


Descargas atmosfricas directas.- una descarga de este

tipo ocurre cuando el rayo cae directamente sobre losd t d f d t d f ll d


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conductores de fase producto de una falla de

apantallamiento en la lnea.

Este tipo de incidencia produce altas sobretensiones debido

a que dos ondas viajeras de sobretensin se propagan en

sentidos contrarios a partir del punto de incidencia del rayo,

que luego al encontrar un punto de discontinuidad, como porejemplo un interruptor abierto, un transfomadoru otras

lneas, en parte se refleja retornando hacia el punto de

incidencia y en parte se transmite a travs de la

discontinuidad.


Descargas atmosfricas directas En caso que la onda

que avanza por la lnea encuentre un transformador, sefl j t t l t d l l id d


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reflejar totalmente conservando la polaridad.

Esta onda reflejada al superponerse con la onda incidente

da como resultado una sobretensin del doble de magnitud.

La Figura ilustra una descarga atmosfrica directa.


Flameo inverso.- ocurre cuando la descarga atmosfrica ha cado sobre el sistema

de apantallamiento (hilo de guarda o la torre) y la diferencia de potencial generadaentre la estructura y el conductor de fase supera el nivel de aislamiento de la


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cadena de aisladores, provocndose el flameo o disrupcin sobre la cadena. La

Figura ilustra el evento de un flameo inverso.


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Descargas atmosfricas prximas a la lnea.-


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se refiere a las descargas atmosfricas a tierra en

las cercanas de una lnea y que generan

sobretensiones inducidas en ella. La Figura ilustra

este evento.


Descargas atmosfricas prximas a la lnea.


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Las tensiones inducidas alcanzan valores de hasta

alrededor de 500 kV, por lo que son de inters

nicamente para sistemas cuyo nivel de

aislamiento sea inferior a la tensin inducida.

As, para sistemas 69 kV las tensiones inducidasno se consideran.



111/139


En general las sobretensiones


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En general, las sobretensiones

producidas por descargas

atmosfricas en la red de transmisinoriginan ondas de tensin que llegan

hasta los equipos de la subestacin ala cual estn conectadas, provocando

a su vez, sobretensiones en la

subestacin.


La severidad de estas sobretensiones


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y su tasa de ocurrencia dependen de:

la amplitud y forma de onda de lasobretensin en la lnea vinculada, el

nmero de lneas conectadas, el

tamao y disposicin de la subestaciny el sistema de proteccin y

apantallamiento tanto de las lneascomo de la subestacin.


Para subestaciones o equipos de unasubestacin sin proteccin de


114/139

p

pararrayos el parmetro ms importante es la

amplitud de la sobretensin que llega a la

subestacin.

Dicha amplitud por lo general es demasiado

elevada como para ser considerada en la

coordinacin de aislamiento. Sin embargo, el uso

de pararrayos como elemento de proteccin es

casi siempre considerado.


Para subestaciones protegidas por pararrayos se


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Para subestaciones protegidas por pararrayos, se

debe tomar en cuenta la pendiente de la onda de

sobretensin que llega desde la lnea y ladistancia de separacin entre el pararrayos y el

equipo a proteger.


La pendiente de la onda de sobretensinque llega a la subestacin se reduce


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que llega a la subestacin se reduce

principalmente por el efecto corona en la

lnea.

Adems, si el rayo cae a cierta distancia de

la subestacin, se consigue tener un

sobrevoltaje de menor amplitud en ella.

Las sobretensiones atmosfricas en subestaciones sepueden evitar mediante el adecuado diseo de las lneas


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de transmisin conectadas a ellas.

Por ejemplo, para evitar descargas atmosfricas directassobre los conductores se debe realizar un diseo confiable

del apantallamiento de la lnea mediante hilos de guarda,

cuya funcin es interceptar a la descarga atmosfrica

directa y conducir la corriente del rayo a tierra a travs delas estructuras metlicas, dando como resultado que las

sobretensiones que ingresen a la subestacin sean menos

severas.


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Mtodos anlogos a los anteriormente


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descritos para el blindaje de lneas

transmisin se pueden tambin utilizarpara el blindaje de subestaciones,

entre ellos el uso de conductores a

tierra areos (cables de guarda) y

mstiles metlicos.


OPERACIONES DE MANIOBRA

Estas sobretensiones de frente rpido ocurrenprincipalmente:


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principalmente:

1. al conectar o desconectar equipo ensubestaciones o,

2. por descargas disruptivas en el aislamiento

externo.

Esto a su vez provoca un fuerte estrs sobre elaislamiento interno cercano.


La forma de onda de las sobretensiones de

frente rpido por maniobra corresponde a la


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forma de onda normalizada del impulso tipo

rayo.

Su magnitud, depende de las caractersticas de

los equipos de corte y seccionamiento, y es enla mayora de los casos menor que la magnitud

de las sobretensiones de origen atmosfrico,

razn por la cual no se considera.


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La ocurrencia simultanea de sobretensiones de frente rpido

por maniobra en ms de una fase es altamente improbable,razn por la que, se asume que el mximo voltaje fase-fase es


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el valor del voltaje fase-tierra.

Para controlar las sobretensiones de frente rpido por maniobra,

1. Uso de descargadores de sobretensiones, se debe

seleccionar un adecuado equipo de corte y seccionamiento,como por ejemplo, interruptores libres de reignicin, con

corte en baja corriente y,

2. Con resistencias de apertura o cierre.

Sobretensiones de Frente Extra Rpido

Las sobretensiones de frente extra rpido se originan

principalmente por operaciones de maniobra o fallas ensubestaciones aisladas en gas (GIS), as como en

transformadores de subestaciones de media tensin con


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transformadores de subestaciones de media tensin con

conexiones cortas con los equipos de maniobra.

En GIS las sobretensiones de frente extra rpido se generan

debido a la propagacin no amortiguada de la onda de

sobretensin dentro de la subestacin.

Cuando la sobretensin abandona la GIS, su amplitud se

amortigua rpidamente y adems el tiempo de frente de onda

aumenta hasta corresponder al de una sobretensin de frente

rpido.

La forma de onda de este tipo de sobretensin se

caracteriza por el rpido incremento en su amplitud,

tanto as que el tiempo que tarda en alcanzar suvalor pico o frente de onda es incluso < 1 s.


125/139

p

En operaciones de desconexin, subsiguiente alfrente de onda aparece una oscilacin con

f > 1 MHz.

El tiempo de duracin de estas sobretensiones es

por lo general, < 3ms.

La amplitud de la sobretensin depende tanto

de las caractersticas del equipo de maniobra

as como de la configuracin de la

subestacin


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subestacin.

Se puede asumir que es posible limitar su valor

hasta a 2.5 p.u. La Figura siguiente muestra la

forma de onda caracterstica de unasobretensin de frente extra rpido, dnde se

puede apreciar los criterios anteriormente

mencionados.

2.5 p.u =


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< 1 s

< 3ms


128/139

Dado que las sobretensiones

de frente extra rpido ocurren


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principalmente en GIS, para

subestaciones exteriores o

aisladas en aire (AIS), no seconsideran.

RESUMEN DE SOBRETENSIONES

A continuacin se muestra un


130/139

resumen de las caractersticas decada una de las sobretensiones

anteriormente analizadas.

RESUMEN DE SOBRETENSIONES


131/139


132/139


133/139


134/139

* A especificar por el fabricante del producto.

Analizada la naturaleza y las

caractersticas de las sobretensiones

que pueden aparecer en una subestacin,

se definir:


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se definir:

1. Las caractersticas de los elementos

de proteccin y,

2. el nivel de aislamiento que los

elementos de la subestacin debern

tener ante cada una de ellas.


136/139

Rango I: Comprende tensiones desde 1

kV hasta 245 kV incluido. A esterango pertenecen las redes de


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distribucin, subtransmisin y

transmisin en alta tensin.

Rango II: Tensiones superiores a 245 kV.Este rango se aplica en redes de

transmisin de extra alta tensin.

Diferentes aspectos

operacionales se aplican a cada

rango por ello en el estudio de


138/139

rango, por ello en el estudio de

coordinacin de aislamiento se

deben tomar en cuenta criterios

inherentes a cada uno de ellospor separado.


139/139

Fin parte 1

Gracias

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