Estudio comparativo de fenómenos y
efectos estacionarios y transitorios en líneas
y subestaciones a 230 kV y a 500 kV
Tema 4: Coordinación de aislamiento
Contenido
1. Introducción
2. Descripción de la metodología IEC
3. Selección del pararrayos
4. Determinación de las sobretensiones
5. Cálculo de la soportabilidad
6. Tensión de soportabilidad normalizada
Introducción
�Comprende la selección de la soportabilidad dieléctrica del equipo, en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema�Teniendo en cuenta las características de los dispositivos de protección disponibles�Reducción a un nivel económica y operacionalmente aceptable, la probabilidad de que las sobretensiones impuestas en el equipo causen daño en el aislamiento de éste o afecten la continuidad del servicio�Es aceptable un cierto riesgo de falla, el cual depende de consideraciones económicas y de confiabilidad del servicio
Introducción
Descripción de la metodología IEC
Norma IEC-60071 “Insulation Coordination” parte 1 de 2006, "Definitions, principles and rules" y parte 2 de 1996 “Application guide”
La selección consiste en:
�Escoger el conjunto de tensiones de soportabilidad (Uw) más económico
�Que caracterice la rigidez dieléctrica del aislamiento
�Capaz de resistir las sobretensiones impuestas por el sistema o por las descargas atmosféricas
Descripción de la metodología IEC
Aislamiento externo:Aislamiento externo: Son las Son las superficies del superficies del aislamiento saislamiento sóólido del equipo en contacto con airelido del equipo en contacto con aire, est, estáán n sujetas a los esfuerzos dielsujetas a los esfuerzos dielééctricos y a los efectos ctricos y a los efectos atmosfatmosfééricosricos y otras condiciones externas, tales como y otras condiciones externas, tales como presipresióón atmosfn atmosféérica, contaminacirica, contaminacióón, humedad, etc.n, humedad, etc.
Aislamiento interno:Aislamiento interno: Son las partes internas sSon las partes internas sóólidas, lidas, llííquidas o gaseosas del aislamiento del equipo, las cuales quidas o gaseosas del aislamiento del equipo, las cuales estestáán protegidas de los efectos atmosfn protegidas de los efectos atmosfééricosricos y otras y otras condiciones externas.condiciones externas.
Recierre 3pRecierre 1p
Energización
ESQUEMA GENERAL COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO NORMA IEC 60071HMV Ingenieros - M. Suárez C., E. Betancur E.
Datos S/E, Equipos,
Interruptores
Datos Líneas en S/E,
Vanos, ...
Datos de Tesiones:
Vnom, Vmax equipos
Datos:Otros….
Datos Pararrayos Vnom, NPM, NPR,
Idesc, En (J)
Validación, Trazabilidad de Información
Definción de Tensiones Básicas: Um, Us = Vmax(f-f,f-n), Ups = NPM(f-n), Upl = NPR(f-n)
Us, Ups, Upl
Definción de Tensiones Representativas Urp
Urp a f ind. f0
Urp = KfxUsUrp falla 1φφφφ(f-n)
Urp rech. Carga(f-f)
Urp de frente lento (maniobras)
Uet = 1.25xUe2 - 0.25 (f-n)
Upt = 1.25xUp2 - 0.43 (f-f)Urpcualq. equipo = Ups (f-n)
Urpequip. entrada = 2xUps (f-f)Urpcualq. eq. no a entrada = Upt (f-f)
DIgSILENTATP draw
Estad. Montelli(V. Anexo BIEC 60071-2)
Kfalla 1f
KFerranti
Krech.carga Up2, Ue2
Urp
Definción de Tensiones de Coordinación Ucw
Ucw temporales f0
Ucw = KcxUrpUcw = Urpfalla(f-n)
Ucw = Urprech_carg(f-f)
Kc = 1(V. No. 3.3 y
Anexo HIEC 60071-2)
Ucw frente lento
Ucw = KcdxUrpUcw = KcdxUrpcq.eq.(f-n)
Ucw = KcdxUrpcq.eq.(f-f)
Ucw frente rápido
Ucw = Upl + (A/n)*(L/(Lsp+La))
Upl = NPR(f-n)
A de tabla F2 IEC 60071-2 (V)n = lin. A S/E
L = dist int/ext descarg. (m)Lsp = Vano línea (m)
La = Long. eq. Línea (m)
(V No. 3.3 y Anexo H IEC 60071-2)
Calcule: Ups/Ue2(f-n), 2xUps/Ue2(f-f) todo eq.
Defina Kcd ≥ 1.0 (V. Fig. 6, IEC 60071-2)
Ucw
La = Ra/RkmRa: tasa f/100 años
Rkm: tasa f/100km.año(V. Anexo F,IEC 60071-2)
V int/ext (f-n)
TE
NS
ION
ES
Urp
U
cwU
s U
ps
Up
lD
AT
OS
Cal
culo
s es
pec
iale
s -
No
rma
IEC
60
071
(f-f): fase - fase(f-n): fase - neutroPararrayos o
Descargador
Definción de Soportabilidad Requerida Urw
Urw temporales f0
Urw = KsxKaxUcw(f-n)
Urw = KsxKaxUcw(f-f)
Urw frente lento Urw frente rápido
Urw
SO
PO
RT
AB
ILID
AD
ES
Urw
U
w
Urw = KsxKaxUcw(f-n)
Urw = KsxKaxUcw(f-f) Urw = KsxKaxUcw(f-n,f-f)
Ks int ≈ 1.15, Ks ext ≈ 1.05(igual en f0, fr lnt, fr rap)
(V.No.4.3.4, IEC 60071-2)
Kaf0 = EXP(mf0xH/8150)Kafr lnt = EXP(mflxH/8150)Kafr rap = EXP(mfrxH/8150)
(V. No. 4.2, IEC 60071-2)
m = 1 a f0
m = 1 en fr. rápidom = f(Ucw) en fr. lento,(V. Fig 9, IEC 60071-2)
Definción de Soportabilidad Normalizada Uw(c) = f(SDW, LIW)xUrw
Uw temporales f0 Uw frente lento Uw frente rápido
Uw(s) = Urw(f-n)
Uw(s) = Ucw(f-f)
Uw(c) = f(SDW)xUrw(fr.l.f-n)
Uw(c) = f(SDW)xUcw(fr.l.f-f)
Uw(s) = Urw(fr.l.f-n)
Uw(s) = Ucw(fr.l.f-f)
Uw(s) = Urw(f-n, f-f)
Uw(c) = f(LIW)xUrw(fr.l.f-n)
Uw(c) = f(LIW)xUcw(fr.l.f-f)
f(SDW) fr.lto a f0:Aislamiento externo:
f-n, => 0,6+Urw(fr.l.f-n)/8500f-f, => 0,6+Urw(fr.l.f-n)/12700
Aislamiento interno:f(SDW) fr.lto a f0 = 0,5(V. Tabla 2, IEC 60071-2)
f(LIW) fr.lto a fr.rap:Aislamiento externo:
f-n, => 1,05+Urw(fr.l.f-n)/6000f-f, => 1,05+Urw(fr.l.f-n)/9000
Aislamiento interno:f(LIW) fr.lto a fr.rap = 1,0 … 1,1
(V. Tabla 2, IEC 60071-2)
Uw(s) Uw(c)
(s): sin convertir(c): convertida con
f(SDW,LIW)
(s): sin convertir(c): convertida con
f(SDW,LIW)
REPORTE de Uw(s), Uw(c)
DIgSILENTATP draw
Estad. Montelli(V. Anexo DIEC 60071-2)
≤ 245 kV,Rango I
NPM - Tensión residual al impulso-maniobraNPR - Tensión residual al impulso-rayo
Selección del pararrayos
Procedimiento para definir los parProcedimiento para definir los paráámetros del metros del pararrayos de pararrayos de ZnoZno: :
––TensiTensióón continua de operacin continua de operacióón, n, COVCOV. (. (conexiconexióón n fasefase--tierratierra))
––SobretensiSobretensióón temporal, TOVn temporal, TOV
TOV=COV* TOV=COV* KeKe
COV=COV=UmUm√√33
Um Um corresponde a la corresponde a la mmááxima tensixima tensióón del equipon del equipo
KeKe es el factor de tierra, el cual es es el factor de tierra, el cual es de 1,4 para sistemas solidamente de 1,4 para sistemas solidamente puestos a tierra y 1,73 para puestos a tierra y 1,73 para sistemas con neutro aisladosistemas con neutro aislado
Selección del pararrayos
La tensión nominal del descargador de sobretensiones, R, es el mayor valor entre Ro y Re
Ro=Ro=COVCOVKo
KoKo es el factor de disees el factor de diseñño del descargador o del descargador de sobretensiones, el cual varde sobretensiones, el cual varíía sega segúún el n el fabricante. Un valor tfabricante. Un valor tíípico es 0,8pico es 0,8
KtKt es la capacidad del descargador y depende es la capacidad del descargador y depende del tiempo de duracidel tiempo de duracióón de la sobretensin de la sobretensióón n temporal. Astemporal. Asíí, para un segundo, , para un segundo, KtKt == 1,151,15; ; para 10para 10 segundossegundos, , KtKt == 1,061,06 y para dos horas, y para dos horas, KtKt == 0,950,95 (valores aproximados)(valores aproximados)
Re=Re=TOVTOVKt
Selección del pararrayos
Para sistemas con neutro rPara sistemas con neutro ríígido a tierra es habitual una gido a tierra es habitual una duraciduracióón mn mááxima de falta a tierra de 1 segundo (tiempo xima de falta a tierra de 1 segundo (tiempo mmááximo considerado para despejar una falta por parte de las ximo considerado para despejar una falta por parte de las protecciones convencionales)protecciones convencionales)
Para sistemas no rPara sistemas no ríígidos a tierra el tiempo de despeje de una gidos a tierra el tiempo de despeje de una falta en este tipo de sistemas suele estar ajustado entre 1 y 1falta en este tipo de sistemas suele estar ajustado entre 1 y 10 0 segundos (en funcisegundos (en funcióón de las corrientes de cortocircuito que n de las corrientes de cortocircuito que puedan aparecer)puedan aparecer)
Se puede prever un margen extra de 10% para sistemas con Se puede prever un margen extra de 10% para sistemas con tensiones inferiores a 100tensiones inferiores a 100 kVkV y 5% para sistemas con tensiones y 5% para sistemas con tensiones mayores de 100mayores de 100 kVkV, encontr, encontráándose asndose asíí la tensila tensióón n nominal del descargador de sobretensiones nominal del descargador de sobretensiones RR
Determinación de las sobretensiones
Tensión máxima asignada del sistema (Us): la máxima tensión de operación que se puede presentar durante operación normal en cualquier momento y en cualquier punto del sistema
La tensión Um se encuentra en la tabla 2 y tabla 3 de la norma IEC-60071-2006
Us=Um Um: tensión máxima de los equipos
Determinación de las sobretensiones
Simulaciones digitales: para la obtención de las sobretensiones es recomendable hacer simulaciones digitales de los diferentes fenómeno�Software ATP y su interfaz gráfica para realizar las simulaciones
�Los estudios se efectúan con énfasis la subestación en estudio, considerado las líneas de transmisión asociadas a ella y todos los elementos que según la topología se deban consideraren el análisis
Determinación de las sobretensiones
Metodología de cálculo de sobretensiones en las
simulaciones: Para cada uno de los tipos de sobretensiones es necesario simular los fenómenos que las producen
� Sobretensiones temporales�Falla monofásica en barras
�Rechazo de carga (efecto Ferranti)
� Sobretensiones de maniobra (frente lento)�Energización de líneas y transformadores
�Recierre tripolar y monopolar (arco secundario)
�Tensión transitoria de recuperación
Determinación de las sobretensiones
Tensiones representativas (Urp): se calculan con ondas normalizadas para condiciones operativas temporales a frecuencia nominal, de maniobra (frente lento) o atmosféricas (frente rápido)�Para sobretensiones de maniobra se debe estimar el valor de truncamiento de la distribución de probabilidad a partir del valor de la sobretensión del 98% encontrada en los estudios del sistema (Ue2: sobretensión fase−tierra y Up2: sobretensión fase−fase). En adelante se definirá como sobretensión del 98%
Determinación de las sobretensiones
Con los resultados de las anteriores expresiones, las tensiones Urp de frente lento son:
Urp f-n = Ups = NPM del descargador.
Urp f-f = Upt.
Para equipos que no se protegen con descargadores de
sobretensión, las sobretensiones máximas representativas son
iguales al valor de truncamiento Uet (fase−tierra) y al Upt
(fase−fase)
Determinación de las sobretensiones
Tensiones de coordinación:
Ucw: valor de la tensión soportada por la configuración de aislamiento en condiciones reales de servicio.
Urp Ucw
Ucw Frente lento
Sobretensiones temporales
Frente rápido
Kc
Determinación de las sobretensiones
Para sobretensiones temporales (fase−tierra y fase−fase), Kc = 1
Para sobretensiones de frente lento se utiliza la siguiente figura
(a) Factor de coordinación para obtener la tensión de coordinación soportada fase – tierra
(b) Factor de coordinación para obtener la tensión de coordinación soportada fase – fase
Determinación de las sobretensiones
Para sobretensiones de frente rápido
asp
plCW
LL
L
n
AUU
+⋅+=
Upl: Nivel de protección al rayo del descargador.A: Factor para líneas aéreas de transmisiónn: Mínima cantidad de líneas conectadas a la
subestaciónL: Distancia máxima desde los descargadores al
último equipo protegidoLsp: Longitud del vano de línea (desde la
subestación hasta la primera torre de retención
Ra: Tasa de fallas aceptable de equipos de subestación
Rkm: Índice de falla en el primer kilómetro de la línea.
La: Longitud equivalente de línea = Ra / Rkm
Cálculo probabilístico de sobretensiones
El factor para líneas aéreas de transmisión (A)
Para el número mínimo de líneas en servicio conectadas a la subestación (n) se recomienda un valor de n = 1 o n = 2 . Para obtener resultados conservativos se considera n = 1
Tipo de Línea A [kV]
Líneas de distribución
Con crucetas puestas a tierra 900
En postería de madera 2700
Líneas de transmisión
Un solo conductor por fase. 4500
Con Haz de dos conductores por fase 7000
Con Haz de cuatro conductores por fase 11000
Con Haz de seis a ocho conductores por fase 17000
Cálculo probabilístico de sobretensiones
La distancia máxima (L) desde los descargadores de sobretensión hasta el último equipo protegido se calcula de acuerdo con la figura
L = a1+a2+a3+a4. (Distancia máxima desde el descargador al último equipo protegido).a1: longitud del conductor de conexión entre el descargador y la línea.a2: longitud del conductor de conexión entre el descargador y la malla de puesta a tierra.a3: longitud del conductor de fase entre el descargador y el equipo protegido.a4: longitud de la parte activa del descargador
Cálculo de la soportabilidad
Tensión de soportabilidad requerida (Urw):
Tensión de prueba que el aislamiento de la S/E debe soportar, garantizando que el aislamiento cumple el criterio de buen desempeño cuando estásometido a sobretensiones en condiciones reales de servicio y para todo el tiempo de servicio
Urw = Ks x Ka x UcwKs : factor de seguridad
Ka corrección por altura
Cálculo de la soportabilidad
Siguiendo la recomendación Ks toma los siguientes valores para sobretensiones temporales, de frente lento y de frente rápido
Para el cálculo de Ka se presenta la siguiente fórmula para la determinación del factor de corrección atmosférica. Esta recomendación advierte que las curvas que presenta para determinar el factor m, basadas en la recomendación IEC 60060-1, son obtenidas de medidas experimentales realizadas para alturas hasta de 2000 m
Aislamiento interno: Ks = 1,15
Aislamiento externo: Ks = 1,05
Cálculo de la soportabilidad
�H: altura (m.s.n.m.). La corrección es necesaria para todas las instalaciones, aún para las ubicadas por debajo de 1000 m.s.n.m, para las cuales la corrección debe hacerse con H = 1000.
El valor m se calcula de la siguiente manera:�Para soportabilidad a frecuencia industrial de corta duración: m = 1,00
�Para soportabilidad al impulso atmosférico: m = 1,00.
�Para sobretensiones de frente lento, m se lee de la siguiente figura
ea
K
Hm
=
8150
Cálculo de la soportabilidad
(a) aislamiento fase a tierra (b) aislamiento longitudinal
(c) aislamiento fase – fase (d) gaps de varilla - lámina
Cálculo de la soportabilidad
Finalmente los valores de tensiones de soportabilidad, Obtenidos después de ser considerada la corrección por altura,
se calculan así:
Aislamiento externo: Urw= Ucw x Ks x Ka
Aislamiento interno: Urw= Ucw x Ks
Cálculo de la soportabilidad
Valores de tensión de soportabilidad convertida Uw(c)
Los valores de soportabilidad requerida se complementan con los valores de tensión de soportabilidad convertida Uw(c), utilizando factores de conversión para Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV) y Rango II (Um > 245 kV)
�En el Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV), la tensión de soportabilidad normalizada Urw al impulso atmosférico y a frecuencia industrial debe cubrir la tensión de soportabilidad requerida a impulsos de maniobra
�En el Rango II (Um > 245 kV), la tensión de soportabilidad normalizada al impulso de maniobra debe cubrir la tensión de soportabilidad requerida a frecuencia industrial
Cálculo de la soportabilidad
Se calcula la tensión de soportabilidad convertida Uw(c), utilizando factores de conversión para Rango I y Rango II:
�Para equipos pertenecientes al Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV), a partir de las tensiones de frente lento, se calculan las tensiones convertidas Uw(c) de frecuencia industrial y de frente rápido.
�Para equipos pertenecientes al Rango II (Um > 245 kV), a partir de las tensiones de frecuencia industrial, se calculan las tensiones convertidas Uw(c) de frente lento.
Cálculo de la soportabilidad
La tabla proporciona los factores de conversión SDW y LIW que deben aplicarse a la tensión de soportabilidad de frente lento para convertirlos en soportabilidades a frecuencia industrial y de frente rápido
Aislamiento SDW LIW
Aislamiento externo
- Fase-tierra
- Fase-fase
Aislamiento interno:
- GIS
- Aislamiento inmerso en líquido
- Aislamiento sólido
0,6+Urw / 8500
0,6+Urw / 12700
0,7
0,5
0,5
1,05+Urw /6000
1,05+Urw /9000
1,25
1,10
1,00
Cálculo de la soportabilidad
La tabla proporciona los factores de conversión SIW que deben aplicarse a la tensión de soportabilidad de frecuencia industrial para convertirlos en soportabilidadesde frente lento
Aislamiento SIW
Aislamiento externo
- Aislamiento limpio, húmedo
Aislamiento interno:
- GIS
- Aislamiento inmerso en líquido
- Aislamiento sólido
1,7
1,6
2,3
2,0
Tensión de soportabilidad normalizada
La tensión de soportabilidad normalizada, Uw es el valor final normalizado asignado para el aislamiento del equipo de la subestación estudiada y garantiza que el aislamiento cumple con todas las tensiones de soportabilidad requeridas
�Para equipos en Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV) se define la tensión de soportabilidad a frecuencia industrial y al impulso de frente rápido (atmosférico)
�Para equipos en Rango II (Um > 245 kV) se define la tensión de soportabilidad al impulso de frente lento (maniobra) y al impulso de frente rápido (atmosférico)
Distancias mínimas de separación
Distancias mínimas de separación requeridas en el aire (fase−tierra y fase−fase) de acuerdo con la tensión de soportabilidad normalizada al
impulso atmosférico para subestaciones con equipos en Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV)
Distancias normalizadas
Distancias mínimas de separación
Distancias mínimas de separación requeridas en el aire (fase−tierra y fase−fase) de acuerdo con la tensión de soportabilidad normalizada al
impulso de maniobra para subestaciones con equipos en Rango II (Um > 245 kV)
Distancias normalizadas