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7/24/2019 correciioncccRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR

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Coordinacin de aislamientos en tipo de subestacionesde maniobra a niveles de 500kV

P. Achig, A. Artieda, P. Andrade, C. Yanez

ResumenThis article develops the topic Appropriate coordinationof insulation in one maneuver type substations 500 kV levels, Whichis going to allow us analy!e and detect the different types ofpresents "uch insulation in substations, ie is us possible to verify the#haracteristics of each of the isolates understanding of our system$To be focused on how to perform a proper coordination of theisolates, We %ave the Appropriate criteria "ought& 'esides (ifferent"tep )eeded That is, ie *efers to the procedure to be +ollowedparagraph erform this type optimal and efficient coordination$

AbstractThis paper will e-plain insulation coordination forsubstations working with a voltage of 500kV, that will be use in thecountry$

Keywords-insulation, surge.

.$ .)T*/(##./)

a gran demanda creciente de energ!a en el pa!s debe serabastecida de la manera m"s ptima posible, siendo un pa!s endesarrollo #$% & con el cambio de la matriz energ'tica se re(uiereun sistema optimo & con)iable, el cual ser" e*igido de tal manera(ue tendr" variaciones considerables en carga las cuales podr"ngenerar sobretensiones, haciendo (ue un sistema de coordinacinde aislamientos con gran )iabilidad sea indispensable.Asegurando as! la proteccin & continuidad del servicio sin

ma&ores problemas para la red.

+n los sistemas de potencia es mu& comn encontrarsobretensiones (ue a)ectaran al mismo. Al tener estas

perturbaciones dentro del sistema se debe tomar ciertasprecauciones, para (ue las mismas no se conviertan en )allas, lascuales podr!an a)ectar gravante al sistema & la continuidad delservicio. a coordinacin de aislamientos debe determinar lasresistencias diel'ctricas de los e(uipos (ue tendr"n relacin conla sobretensin generada #-%.

Al aplicar coordinacin de aislamientos estamos garantizando(ue las caracter!sticas de los aislamientos usados en los e(uipos,sean su)icientes para el nivel de tensin (ue )ue diseado ele(uipo, despu's de haber sido limitada la sobretensin por losdispositivos de proteccin & pararra&os #$%.Al seleccionar un con/unto de tensiones m!nimas (uecaracterizan al aislamiento de cada e(uipo (ue compone alistema el'ctrico, se debe tener en cuenta (ue deber"n soportar el

uso nominal, & prevenir el dao, en caso de una )alla #-%. Adem"sse debe considerar, para el estudio la distancia m!nima re(uerida

por el aire, la cual se estima mediante c"lculos matem"ticos delas sobretensiones (ue pueden e*istir en el sistema.

Para realizar una an"lisis ptimo de coordinacin de aislamientosse debe tener conocimientos )undamentados de los (ue son1 lostipos de sobretensiones (ue el sistema podr!a e*perimentardurante su )uncionamiento, )ormas de onda, amplitud &distribucin estad!stica, siendo la ltima mencionada una de lasm"s importantes si se usara el m'todo de coordinacin por datosestad!sticos. Caracter!sticas de los tipos de aislamientos & sus

condiciones diel'ctricas. 2ispositivos de proteccin & prevencin(ue ser" posible instalar #-%.

Al coordinar los aislamientos, protege la inversin realizadaevitando as! daos en e(uipos de alto costo econmico para el

pa!s #3%.

..$ "/'*1#A*2A"

A. Sobretensiones en subestaciones elctricas

4na subestacin el'ctrica se encuentra vulnerable a distintos

eventos como1 descargas atmos)'ricas, propagacin de ondas desobretensin por maniobras & )allas en el sistema est"n puedenocasionar )lameos o )allas de aislamiento, provocando de estamanera problemas con los e(uipos (ue se encuentran dentro deuna subestacin.

B. Sobretensiones temporalesas sobretensiones temporales son caracterizadas por suamplitud, su )orma de onda & su duracin. odos estos

par"metros dependen del origen de las sobretensiones, susamplitudes & sus )ormas de onda pueden cambiar inclusivemientras e*ista la sobretensin.

Conocidas tambi'n como din"micas o de )recuencia industrialson sobretensiones )ase6tierra o entre )ases, en un punto dado delsistema, de car"cter oscilatorio, de duracin relativamente larga &)rancamente amortiguada o no amortiguada. #-%


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Fig1. Sobretensin temporal [4]

a sobretensin, si es superior al $07 de la tensin nominal & deacuerdo a la ubicacin del codo de la curva de magnetizacin delos trans)ormadores puede ocasionar una )uerte saturacin delncleo magn'tico, vibraciones en el ncleo, etc., adem"s segeneran corrientes armnicas (ue pueden producir resonancia enel sistema dando origen a sobretensiones adicionales.

4na sobretensin puede ser de)inida como cual(uier tensinentre )ases o entre )ase & tierra, cu&o valor de cresta es superioral valor pico de la tensin m"*ima nominal de un sistema.

Vm23

oVm2respectivamente EC(1)

os or!genes de las sobretensiones temporales pueden ser18allas a tierra en donde el caso m"s cr!tico lo representa la )alla

8ase6tierra 9echazos de Carga 8erroresonancia +)ecto 8erranti

C. Fallas a tierra

a ocurrencia de una )alla )ase6tierra en un determinado puntoacarrea una elevacin de tensin en las otras )ases, cu&o valordepende principalmente del grado de puesta a tierra del sistemaen el punto en cuestin. +sta condicin de puesta a tierra see*presa a trav's de un )actor de )alla para tierra 88.

u valor es independiente del valor real de tensin de operacinen la ubicacin considerada, siendo calculado a partir de lasimpedancias de secuencia de )ase, es decir el 88 es la relacinentre el valor m"*imo e)icaz de tensin )ase6tierra a )recuenciaindustrial de una )ase no a)ectada durante la )alla & el valor detensin )ase6tierra a )recuencia industrial en el mismo punto, conla )alla removida.

Para sistemas de neutro aislado, como por e/emplo una carga noaterrizada suministrada por la delta de un trans)ormador, lassobretensiones en las )ases pueden e*ceder la tensin )ase6)ase,es decir alcanzar valores superiores a -.:3 p.u. +sto se debe a (ue

en la realidad este tipo de sistemas es acoplado a tierra a trav'sde sus capacitancias distribuidas. #-%

+n el caso de un sistema e)icazmente aterrizado, donde larelacin entre la reactancia de secuencia cero & la reactancia desecuencia positiva es in)erior a 3 & la relacin entre la resistenciade secuencia cero & la reactancia de secuencia positiva es in)eriora -, las sobretensiones en las )ases no alcanzan -.; p.u., lo (ue

signi)ica (ue pueden alcanzar en m"*imo el . #$%

Fig". Sistema con carga in!ucti#a$ % & 'g & 'r [4]


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Fig(. Sistema sin carga$ % ) 'g ) 'r [4]

%. %*ecto Ferranti.+l )enmeno conocido como +)ecto 8erranti es un aumento detensin en el e*tremo receptor de una l!nea de transmisin (ue se

produce por el e)ecto capacitivo (ue tienen las l!neas aisladasentre si & aisladas a tierra. +stas desde el punto de vista el'ctricoson e(uivalentes a las armaduras de un condensador & cuandoest"n a potenciales distintos, toman una carga el'ctricadependiente de los valores de dichos potenciales entre si &respecto a tierra. Al estos potenciales variar constantementeoriginan una corriente transversal (ue se suma a la corriente de lal!nea aumentado los valores de tensin en el e*tremo receptor.

a )orma de onda de la sobretensin resultante de este )enmenoes por lo general sinusoidal a )recuencia industrial.

F. Ferroresonancia.+s el )enmeno oscilatorio creado por la capacitancia del sistemade potencia, en con/unto con la inductancia no lineal de unelemento con ncleo magn'tico =trans)ormador de potencia, demedicin o un reactor de compensacin>. +ste )enmeno seobserva por lo general en sistema de alta tensin & casi nunca ensistemas de distribucin de energ!a, &a (ue es precisamente lacapacitancia de l!neas de mu& larga distancia la (ue induce la)erroresonancia, siempre (ue la inductancia asociada al circuitose encuentra en condiciones )avorables para entrar en resonancia.a operacin en vac!o de un trans)ormador de potencia, o conmu& poca carga, puede crear las condiciones )avorables.

a 8erro6resonancia puede causar altas sobretensiones &sobrecorrientes sostenidas acompaadas de niveles de distorsinde )ormas de onda de las tensiones & de las corrientes,

produciendo sobrecalentamiento en trans)ormadores, )uerteruido, dao al e(uipo el'ctrico & rompimiento de diel'ctricos.

Condiciones de resonancia se producen cuando en un circuito(ue contiene capacitancias e inductancias lineales es e*citado poruna tensin a )recuencia pr*ima o igual a su )recuencia natural,mientras (ue, pueden ser caracterizados por )erro6resonancia lose)ectos peculiares introducidos por la presencia de saturacin en

un circuito magn'tico de inductancia.

Vc1.05Vs

3EC(2)

...$ A*A**A3/"

+ste tipo de dispositivos nos permite proteger las instalacionesde descargas atmos)'ricas. as ondas (ue se presentan duranteuna descarga atmos)'rica via/an a la velocidad de la luz & daan alos e(uipos sino se tiene protegido en )orma correcta.

Para las protecciones de subestaciones de e*tra alto volta/e comoes nuestro caso de estudio utilizaremos los pararra&os de *idomet"lico ?n@ sin e*plosores #3%.

A. Caracter+sticas

2eben ser aptos para proteccin de los e(uipos, contra las sobretensiones producidas por operaciones de maniobras & por laocurrencia de descargas atmos)'ricas. os descargadores debenser del tipo e*terior, auto soportados, para instalacin vertical deconstruccin robusta diseados para )acilitar su monta/e & sulimpieza, evitando (ue el agua se deposite en ellos. i el diseodel )abricante considera el empleo de aros para e)ecto corona,este debe ser incluido en el suministro.

Volta/e de operacin continua de los pararra&os se de)ine como elvalor m"*imo permisible de volta/e sinusoidal r.m.s de)recuencia industrial (ue se puede aplicar continuamente entrelos terminales del pararra&os, sin presentar problemas t'rmicos+l criterio para la seleccin de Vc es (ue su valor pico debe serma&or (ue el valor pico del volta/e m"s elevado de operacin enel sitio de ubicacin del pararra&os.

Vc1.05Vs

3EC(3)

Para un sistema con neutro resonante1

Vc VsEC(4)

ensin asignada o nominal relaciona con la capacidad (uetiene el pararra&os de operar )rente a sobretensiones temporalesen un per!odo de)inido de tiempo, & se calcula a partir de doscriterios seleccionando de entre ellos el ma&or valor obtenido,as!1

Vr,min1.25VcEC(5)

Vr=TOV

kTOVEC(6)


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Vr (Vr,minVr1Vr2 , ..Vm)EC(7)

@V son las sobretensiones temporales del sistema & viene del )abricante. +n caso de (ue sea ma&or (ue ,ser" necesario rede)inir , a partir de la e*presin =B>.

Corriente nominal de descarga de un pararra&os =>. +s el valorde cresta de una onda de corriente de descarga de valor $0 -0 5 $,5 -,5

ensinAsignadaVr

(k Vr .m . s )

3B0Vr

:5B

3B03 Vr

3B0

Vr

-3$

Vr

3B

-

,abla 1. Clasi*icacin !e los pararra-os !e i!o met/lico sin

eplosores seg0n .

2ebido al apantallamiento de las l!neas, no se tiene corrientes tanelevadas, as!, para sistemas de +DV,E $0 kA.

B. i#el !e proteccin !el pararra-os.+s la combinacin de las caracter!sticas siguientes1 ensinresidual m"*ima con onda de corriente de )rente escarpado -5us, -0 kA ensin residual m"*ima con onda de corriente tipora&o


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Mw=(P H m C H2)+(P ! " (H1))EC(9)2onde1

P, presin dinamia del viento

P=(P1

2)#v2

EC(10)

P1 , densidad del aire, -.$G kgm3

m , valor medio del di"metro del revestimiento.

Mw , momento de )le*in

D, longitud del pararra&os.

h, grosor del anillo de distribucin de potencial.

2, di"metro del anillo de distribucin de potencial.

F, distancia entre el anillo de distribucin & la parte superior.C, coe)iciente de resistencia de las partes cil!ndricas.Fgual a 0..

Fig4. Dimensin !el pararra-o [(]

.V$ #*.T1*./" 3*/#1(.4.1)T/" A*A

#//*(.)A#.) (1 A."6A4.1)T/"

odos los diseos de instalaciones el'ctricas (ue se realizan,deben contar con un estudio adecuado en el tema decoordinaciones de aislamientos. +ste tipo de an"lisis tienen como)inalidad detectar las di)erentes caracter!sticas de losaislamientos, es decir busca las caracter!sticas adecuadas paragarantizar (ue el nivel de tensin (ue se tiene sea ma&or a latensin (ue de un momento a otro pueda aparecer como resultadode sobretensiones transitorias, estas ser"n limitadas o contenidas

por los di)erentes dispositivos implementados en los sistemasel'ctricos como son rel's de protecciones, pararra&os entre otros.

a realizacin de la coordinacin de los aislamientos, se haconvertido en un proceso necesario (ue se debe realizarlo en lossistemas el'ctricos, especialmente en los sistemas de potencia

para poder transmitir de manera e)iciente la energ!a. +sto esdebido al incremento considerable (ue se ha tenido en los nivelesde tensin, a los cuales se los considera como media tensin, altatensin e incluso se est" llegando a niveles de e*tra alta tensinlos cuales est"n comprendidos en valores superiores a 300 kV.

+*isten algunos criterios para la coordinacin de aislamientos,algunos de estos se los puede considerar b"sicos como son losre)erentes a la seleccin los di)erentes aislamientos (ue tenemosen el mercado. +s importante reducir gastos, es decir tener encuenta consideraciones econmicas. Adem"s de considerarniveles de operacin los cuales deben ser aceptables, es decirreducir tensiones resultantes (ue puedan llegar a causar daos alos aislamientos de los e(uipos, o (ue lleguen a a)ectar lacontinuidad del sistema =F+C B00:-6->. o cual se re)iere a untema importante (ue es la tasa de )allas (ue se tiene en lacon)iguracin de los aislamientos, en esto se considera el nmerode )allas por ao, los aos entre cada )alla & el riesgo (ue setenga (ue se produzca una )alla #5%.

A. 3nicialiacin antes !el c/lculo !e los transitorios

as condiciones iniciales son mu& importantes al momento debuscar una solucin adecuada a los )enmenos transitorios. +nalgunos casos se toma en cuenta las condiciones iniciales como siestas )ueran nulas, mientras (ue e*isten otros casos donde lascondiciones iniciales deben ser establecidas, pero ha& (ue teneren cuenta (ue la ma&or!a de casos se resuelven por di)erentesso)tMares.

+*isten algunos m'todos para la bs(ueda de soluciones inicialesde amnicos, uno de los m"s importantes es el de la )uerza bruta

en el (ue no es necesario inicializar valores, sino (ue estos seestablecen dependiendo las condiciones de estado estacionario#B%.


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B. aso !e tiempo

+l paso del tiempo es un punto mu& importante (ue se debeconsiderar, el cual tiene (ue ser coherente con el )enmeno de)recuencia m"s alto (ue suele aparecer en los sistemas durantelos transitorios. Adem"s lo (ue se considera es (ue los valoresdel paso del tiempo tienen (ue ser menores (ue el tiempo devia/e de cual(uiera de los elementos de propagacin de la red #B%.

C. Duracin !e la simulacin

+s punto est" re)erido al tiempo de duracin (ue debe tener unasobretensin, para (ue los resultados es decir todos los datos seanregistrados de manera adecuada en la simulacin, &especialmente los de los tiempos de propagaciones & re)le*iones#B%.

D. 5scilaciones umricas

Cuando se tiene oscilaciones (ue ocurren de manera inesperada,es necesario revisar si estas son producidas debido a )enmenos)!sicos o no. eniendo en cuenta (ue si estas dependen del paso

del tiempo, son num'ricas #B%.

Fig6. Resistencia !e amortiguacin aplica!a a una in!uctancia

Fig 2. Resistencia !e amortiguacin aplica!a a unacapacitancia

+*iste una regla trapezoidal, en la cual se puede colocar unaresistencia en paralelo con la inductancia para amortiguar laoscilacin num'rica (ue puede ocurrir, cuando se in&ecta unacorriente en ella =F+C B00:-6;>. Adem"s e*isten algunos casosen los (ue aparecer una oscilacin num'rica en corrientes decapacitivas, para lo cual se suele colocar una resistencia en seriecon la capacitancia =F+C B00:-6;>.

%. Representacin !e !atos para la sali!a

+ste punto hace re)erencia especialmente al mane/o adecuado delos datos, es decir al )iltrado adecuado (ue se debe realizar de losmismos para obtener los resultados adecuados a la salidaAdem"s cabe mencionar (ue esto tambi'n depende del paso deltiempo (ue se utilice en la salida de resultados #B%.

F. %lementos no lineales2ebido a la e*istencia de di)erentes )ormas de calcular, & a sumetodolog!a los elementos no lineales en algunos casos puedenllegar a causar ine*actitudes, es decir nos re)erimos a losm'todos (ue utilizan para el c"lculo del domino de tiempo #B%.

V$ 17146/ (1 A6.#A#.)

+l procedimiento de coordinacin se aplicar" para la

2040

607595

125145

170250325

450550

650750850

9501050

117513001425

15501675

180019502100

21002250

2400

+ Pi)o del sistema de transmisin a nivel de 500kV previstopara el ao $0-3 & (ue se muestra en la8igura :.

Figura 7. Sistema !e transmisin a 688 9'.

A continuacin se detallan los par"metros asociados al sistema.

abla 3. 2atos de las l!neas del sistema a 500 kV

Lineas R()

X(

$ )B(us)

C.C.S Pifo 1(125km)

2.862

40.425

637.637

C.C.S Pifo 2 2.86 40.42 637.63


7/8

(125km) 2 5 7Pifo Yaguaci

(300km)6.87 97.02 1530.3

3Yaguaci 4.12

252.21

2918.19

8

abla ;. 9eactores en los e*tremos de las l!neas.

Lineas MVAr enc/extremo

TOTALMVAr

C.C.S Pifo 1 30 60C.C.S Pifo 2 30 30

Pifo Yaguaci 120 240Yaguaci - So!"a#o$a 60 120

abla 5. Fmpedancias de secuencia del sistema.

Secuencias R() X()Po%i&i'a () 1.729 32.675*ga&i'a (-) 1.420 32.371

C*$o (0) 3.193 31.318

Adem"s como datos generales del sistema se tiene1

6 ensin nominal1 500 kV6 8recuencia nominal1 B0 Dz6 Imero de )ases1 36 istema con neutro slidamente conectado a tierra.6 ensin m"s alta del sistema =Vs>1 5$5 kV.6 Valor de tensin base =kVpico )ase N tierra de Vs>

Adem"s la + Pi)o se encuentra ubicada a $ considerando la posible ca!da de

ceniza volc"nica en la zona. Adem"s el pico de corriente & lapotencia de cortocircuito en la barra de 500 kV son de $5.3B kA& de


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Para sobretensiones de maniobra la distancia de separacinentre los e(uipos & el pararra&os no tiene incidencia debido a su)rente de onda mu& poco escarpado.

e puede asegurar (ue el nivel de aislamiento determinado enel presente estudio es un resultado conservador (ue garantizar" lano ocurrencia de )allas de aislamiento en la subestacin.

V..$ *1#/41)(A#./)1"$

os resultados obtenidos en este traba/o corresponden a unestudio terico de coordinacin de aislamiento, por lo (ue paracorroborar estos resultados ser" necesario hacer simulaciones enso)tMare adecuados como es el caso del AP considerando todala in)ormacin e*acta de la + Pi)o.

Dacer un estudio & seleccin adecuados de los dis&untorespara el sistema de 500 kV, para controlar las sobretensiones demaniobra o )rente lento.

Al escoger los niveles de proteccin del pararra&os se debe

veri)icar (ue el valor seleccionado corresponda al valor detensin nominal previamente de)inido, para garantizar (ue se est'operando en una misma curva V6F.

V...$ *1+1*1)#.A"'.'6./2*8+.#A"

#-% C@I++C, Plan Oaestro de +lectri)icacin $00: 6$0-B.+cuador, diciembre $00:.

.9$ '.'6./2*A+.A$#-%9AOF9+?, orge OA9FI+?, Oiguel, Fn)luencia de las

obretensiones por 2escargas Atmos)'ricas & Comportamientode los istemas de Puesta a ierra en !neas A'reas deransmisin & 2istribucin. 4niversidad imn Qol!var, Srupode Fnvestigacin en Alta ensin.

#$% 2TA4?, Ar& 8@I+CA, . Cl"udio CA9VAD@, 8FD@, orge 2FA,Iora P+9+F9A, Oarco +O+9A2@,Paulo VAFOAI, 9oberto 89@IFI, 'rgio. ransitrios+l'tricos e CoordenaUo de Fsolamento, AplicaUo em sistemasde potencia de alta6tenso. 849IA, Centrais +l'tricas .A,Qrasil, -G,[ $00;.#B%Y. Dase, Fnsulation Coordination,[ DandbPoMer &st. +ng. Mith PoMer +lectron. Appl., vol3, pp. ;:5N530, $0-$.

9$ './2*A+.A

"antiago 3:ne!,naci en \uito6+cuador el -5 de ulio de

-GG3. +studiante de octavo nivel de la carrera de ingenier!ael'ctrica en la 4niversidad Polit'cnica alesiana.

a;l Andrade 4ontoya, naci en \uito6+cuador el : deAgosto de -GG$. Fnicio sus estudios en Fngenier!a +l'ctrica enla 4niversidad Polit'cnica alesiana en el ao $0-- los mismos(ue continua cursando hasta el presente ao.

Andr

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