CCÁÁLCULO DE DISTANCIAS PARA LCULO DE DISTANCIAS PARA AISLAMIENTO EXTERNO DE LAISLAMIENTO EXTERNO DE LÍÍNEAS ANEAS AÉÉREAS REAS

CONFORME A LA NOMCONFORME A LA NOM--001001--SEDESEDE

FIDENCIO ONDARZA NOV 2009

CCÁÁLCULO DE DISTANCIAS PARA LCULO DE DISTANCIAS PARA AISLAMIENTO EXTERNO DE LAISLAMIENTO EXTERNO DE LÍÍNEAS NEAS

AAÉÉREAS CONFORME A LA NOMREAS CONFORME A LA NOM--001001--SEDESEDE

SE REQUIERE CONSIDERAR BSE REQUIERE CONSIDERAR BÁÁSICAMENTE LO SIGUIENTE:SICAMENTE LO SIGUIENTE: Distancias ElDistancias Elééctricas de seguridad.ctricas de seguridad.

Para determinar las distancias elPara determinar las distancias elééctricas de seguridad, ctricas de seguridad, revisaremos los factores que intervienen en el revisaremos los factores que intervienen en el dimensionado de las cadenas de aisladores que se dimensionado de las cadenas de aisladores que se usan para soportar los Conductores.usan para soportar los Conductores.

DISTANCIAS ELDISTANCIAS ELÉÉCTRICAS DE SEGURIDADCTRICAS DE SEGURIDAD

Para determinar las distancias elPara determinar las distancias elééctricas de ctricas de seguridad, es necesario considerar cuando menos seguridad, es necesario considerar cuando menos estos factores que nos ayudarestos factores que nos ayudaráán a dimensionar la n a dimensionar la longitud de las cadenas de aisladores y los brazos longitud de las cadenas de aisladores y los brazos que se usan para soportar los conductores:que se usan para soportar los conductores:

Origen de las sobreOrigen de las sobre--tensionestensionesNiveles de aislamiento Niveles de aislamiento Condiciones ambientalesCondiciones ambientales

SobreSobre--tensiones en sistemas con voltajes de tensiones en sistemas con voltajes de operacioperacióón menores a 230 kVn menores a 230 kV

De la dispositiva anterior nos damos cuenta que el De la dispositiva anterior nos damos cuenta que el origen de la sobreorigen de la sobre--tensitensióón que mas impacto tiene en el n que mas impacto tiene en el disediseñño del aislamiento externo en lo del aislamiento externo en lííneas hasta 230 kV es neas hasta 230 kV es el producido por las descargas atmosfel producido por las descargas atmosfééricas.ricas.Las descargas atmosfLas descargas atmosfééricas se presentan en una gran ricas se presentan en una gran variedad de formas (frente de onda) y magnitud de variedad de formas (frente de onda) y magnitud de descarga, de su observacidescarga, de su observacióón se ha determinado lo n se ha determinado lo siguiente para simular siguiente para simular unauna descarga atmosfdescarga atmosféérica (rayo):rica (rayo):

SimulaciSimulacióón normalizada de descargas n normalizada de descargas atmosfatmosfééricasricas

El frente de onda normalizado de una descarga El frente de onda normalizado de una descarga atmosfatmosféérica se simula con una onda de 1.2/50 rica se simula con una onda de 1.2/50 microsegundos.microsegundos.La probabilidad de que la corriente de descarga La probabilidad de que la corriente de descarga exceda los siguientes valores es:exceda los siguientes valores es:

10 kA10 kA 80%80%20 kA20 kA 50%50%50 kA50 kA 08%08%

Descargas atmosfDescargas atmosfééricas y Niveles ricas y Niveles de Aislamientode Aislamiento

Hay dos tHay dos téérminos que es necesario definir rminos que es necesario definir para relacionar el efecto de las descargas para relacionar el efecto de las descargas atmosfatmosfééricas sobre los aislamientos:ricas sobre los aislamientos:

Nivel BNivel Báásico de Aislamiento al Impulso sico de Aislamiento al Impulso (NBAI) o en idioma ingl(NBAI) o en idioma ingléés BILs BIL

TensiTensióón Crn Críítica de Flameo (TCF) tica de Flameo (TCF)

Trayectoria de descarga de rayoTrayectoria de descarga de rayo

Siguiendo la distancia en aire mas corta entre el Siguiendo la distancia en aire mas corta entre el conductor y el soporte.conductor y el soporte.

TTéérminos relacionados con el Nivel rminos relacionados con el Nivel de Aislamientode Aislamiento

NIVEL BNIVEL BÁÁSICO DE AISLAMIENTO AL SICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO (NBAI) (BIL)IMPULSO (NBAI) (BIL)

Valor de cresta de una tensiValor de cresta de una tensióón de Impulso n de Impulso normalizada que resiste un aislamiento normalizada que resiste un aislamiento externo, el cual se determina bajo prueba externo, el cual se determina bajo prueba con una probabilidad de falla del 10%, con una probabilidad de falla del 10%, corresponde al valor de cresta de una onda corresponde al valor de cresta de una onda normalizada de tensinormalizada de tensióón de impulso de n de impulso de 1.2/50 1.2/50 µµss. .

NBAI = 0.961 TCF (1)

TTéérminos relacionados con el Nivel rminos relacionados con el Nivel de Aislamientode Aislamiento

TENSITENSIÓÓN CRN CRÍÍTICA DE FLAMEO (TCF).TICA DE FLAMEO (TCF).Concepto estadConcepto estadíístico aplicado a aislamientos auto stico aplicado a aislamientos auto recuperables (se refiere a los aislamientos externos que recuperables (se refiere a los aislamientos externos que estestáán rodeados por aire, como en las ln rodeados por aire, como en las lííneas aneas aééreas) que reas) que expresa el valor de la tensiexpresa el valor de la tensióón de impulso de una onda n de impulso de una onda normalizada de 1.2/50 normalizada de 1.2/50 msms, que produce para una clase de , que produce para una clase de tensitensióón dada una probabilidad de 50% de flameos bajo n dada una probabilidad de 50% de flameos bajo condiciones estcondiciones estáándar.ndar.

DISTANCIAS EN AIRE PARA TENSIONES DISTANCIAS EN AIRE PARA TENSIONES NOMINALES CON VALORES HASTA 230 kVNOMINALES CON VALORES HASTA 230 kV

Se calculan para el efecto de una onda de tensiSe calculan para el efecto de una onda de tensióón de n de impulso por rayo (1.2/50 impulso por rayo (1.2/50 µµss) en condiciones est) en condiciones estáándar ndar (25(25°°C y al nivel del mar), y estC y al nivel del mar), y estáán dadas por la siguiente n dadas por la siguiente expresiexpresióón:n:

TCF = K3 d (kV)TCF = K3 d (kV) (2)(2)

Donde: Donde: d = distancia entre electrodos en metrosd = distancia entre electrodos en metrosK3 = Factor de electrodo.K3 = Factor de electrodo.

El factor K3 se determina en forma experimental para las diversaEl factor K3 se determina en forma experimental para las diversas s configuraciones posibles, y tiene un valor de 550 para los casosconfiguraciones posibles, y tiene un valor de 550 para los casos de Conductorde Conductor--Estructura, ConductorEstructura, Conductor--Ventana, ConductorVentana, Conductor--Suelo, ConductorSuelo, Conductor--Conductor, y tiene Conductor, y tiene un valor de 480 para configuraciones Varillaun valor de 480 para configuraciones Varilla--Varilla y de PuntaVarilla y de Punta--Plano.Plano.

Trayectoria de descarga de rayoTrayectoria de descarga de rayo

Siguiendo la distancia en aire mas corta entre el Siguiendo la distancia en aire mas corta entre el conductor y el soporte (distancia entre electrodos).conductor y el soporte (distancia entre electrodos).

Tensiones normalizadas para Tensiones normalizadas para sistemas elsistemas elééctricos en Mctricos en Mééxicoxico

Las tensiones de los sistemas eléctricos en México están normalizados por la Norma NMX-J-098.

En la tabla siguiente se muestran los valores nominales de tensión de la tabla 710-24 de NOM-001-SEDE.

También los correspondientes Niveles Básicos de Aislamiento al Impulso, los valores para 400 kV los indicamos conforme a Normas de CFE, y las distancias dieléctricas son las calculadas.

Mas adelante veremos como se calculan estas distancias.

29003400

950 (NBAIM)1050 (NBAIM)*400

141917031987

7509001050

230

12301419

650750161

10411230

550650138

8511041

450550115

66235045085

++ DISTANCIAS DIELÉCTRICAS FASE

A TIERRAmm

NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO AL

IMPULSOkV

TENSIÓN ELÉCTRICA NOMINAL

kV

++ Calculadas en condiciones estándar (25°C y al nivel del mar)* De las normas de CFE

tabl

a 71

0ta

bla

710 --

24 d

e N

OM

24 d

e N

OM

-- 001001 --

SED

ESE

DE

DIMENSIONAMIENTO DIELÉCTRICO.

Nos referimos a la determinaciNos referimos a la determinacióón de las distancias en aire n de las distancias en aire de NO FLAMEO entre partes vivas y tierra, o entre partes de NO FLAMEO entre partes vivas y tierra, o entre partes vivas entre svivas entre síí, as, asíí como a las mcomo a las míínimas de seguridad.nimas de seguridad.Los aislamientos externos se ven afectados por las Los aislamientos externos se ven afectados por las condiciones atmosfcondiciones atmosfééricas y ambientales tales como:ricas y ambientales tales como:

PresiPresióón Baromn BaroméétricatricaTemperaturaTemperaturaHumedadHumedadContaminaciContaminacióón.n.

CORRECCICORRECCIÓÓN DE DISTANCIAS DIELN DE DISTANCIAS DIELÉÉCTRICAS EN AIRE CTRICAS EN AIRE POR EFECTOS DE LA PRESIPOR EFECTOS DE LA PRESIÓÓN BAROMN BAROMÉÉTRICA, TRICA,

TEMPERATURA Y HUMEDAD.TEMPERATURA Y HUMEDAD.

Cuando no se tienen las condiciones estándar (25°C y al nivel del mar) se aplica la siguiente expresión para corregir valores:

donde: NBAI = Nivel Básico de Aislamiento al Impulso.δ = Factor de corrección por presión barométrica y temperaturap = Presión barométrica en mm de Hg.T = temperatura ambiente en °CKH = Factor de corrección por humedad = 1 para 100% de HR

H

ESTANDARCORREGIDO K

NBAINBAI

* (3)(3) T

p

273

*392.0 (4)(4)

EFECTO DE LA CONTAMINACIEFECTO DE LA CONTAMINACIÓÓN EN LOS N EN LOS AISLAMIENTOS EXTERNOSAISLAMIENTOS EXTERNOS

Aunque la contaminaciAunque la contaminacióón no degrada n no degrada el Nivel de Aislamiento (NBAI), si el Nivel de Aislamiento (NBAI), si produce fallas a la frecuencia del produce fallas a la frecuencia del sistema por contorneo, dando por sistema por contorneo, dando por resultado que se requiera aumentar la resultado que se requiera aumentar la distancia de fuga a tierra para mitigar distancia de fuga a tierra para mitigar el efecto y tener intervalos de el efecto y tener intervalos de mantenimiento (limpieza de mantenimiento (limpieza de aislamiento) razonables.aislamiento) razonables.

De acuerdo a los niveles de De acuerdo a los niveles de contaminacicontaminacióón existentes en el sitio, n existentes en el sitio, se ha adoptado la recomendacise ha adoptado la recomendacióón de n de IEC para la selecciIEC para la seleccióón de la distancia n de la distancia de fuga a tierra por contaminacide fuga a tierra por contaminacióón.n. MUY ALTO31

ALTO25

MEDIO20

BAJO16

NIVEL DE CONTAMIN

ACIÓN

DISTANCIA DE FUGA EN

mm/kVFase a Fase

Ejemplo para dimensionar una Ejemplo para dimensionar una cadena de aisladorescadena de aisladores

Consideremos los siguientes datos:Consideremos los siguientes datos: Altura sobre el nivel de mar: hasta 3000 msnmAltura sobre el nivel de mar: hasta 3000 msnm TensiTensióón nominal: 220 kVn nominal: 220 kV Nivel BNivel Báásico de Aislamiento al Impulso: 750 kVsico de Aislamiento al Impulso: 750 kV Temperatura promedio: 25Temperatura promedio: 25°°CC Nivel de contaminaciNivel de contaminacióón: Alto (25 n: Alto (25 mmmm/kV)/kV) K3 = 550, ConfiguraciK3 = 550, Configuracióón Cablen Cable--EstructuraEstructura

Determinar la longitud mDeterminar la longitud míínima de la nima de la cadena de aisladorescadena de aisladores

En este caso serEn este caso seráá necesario hacer correcciones por la altura necesario hacer correcciones por la altura sobre el nivel del mar y revisar por contaminacisobre el nivel del mar y revisar por contaminacióón, ya que n, ya que deseamos que se conserve el NBAI a los 3000 deseamos que se conserve el NBAI a los 3000 msnmmsnm**, por **, por lo que despejaremos de la ecuacilo que despejaremos de la ecuacióón (3), para los valores la n (3), para los valores la temperatura y humedad relativa consideraremos los temperatura y humedad relativa consideraremos los correspondientes a condiciones estcorrespondientes a condiciones estáándar.ndar.

Usaremos las ecuaciones (1), (2), (3) y (4) antes Usaremos las ecuaciones (1), (2), (3) y (4) antes comentadas y la recomendacicomentadas y la recomendacióón IEC de usar 25 n IEC de usar 25 mmmm/kV en la /kV en la distancia de fuga, para un nivel de contaminacidistancia de fuga, para un nivel de contaminacióón Alto:n Alto:

** Deseamos conservar el NBAI de la l** Deseamos conservar el NBAI de la líínea a 3000 nea a 3000 msmnmsmn porque los aislamientos internos, como en los porque los aislamientos internos, como en los transformadores en aceite, no se ven afectados por la transformadores en aceite, no se ven afectados por la altura sobre el nivel del mar, y no deseamos que altura sobre el nivel del mar, y no deseamos que disminuya la confiabilidad de la ldisminuya la confiabilidad de la líínea (siendo mas nea (siendo mas pequepequeñño el NBAI aumenta el no el NBAI aumenta el núúmero de salidas al amero de salidas al añño o por descargas atmosfpor descargas atmosfééricas).ricas).Hay que tener cuidado, porque si hacemos el NBAI de Hay que tener cuidado, porque si hacemos el NBAI de la lla líínea mas alto, esto significa que llegarnea mas alto, esto significa que llegaráán a la n a la subestaciones ondas con sobresubestaciones ondas con sobre--tensiones mayores.tensiones mayores.

Tp

273*392.0 (4)(4)

Valores de p a diferentes alturas sobre el nivel del mar:

p = 760 mm Hg a nivel de marp = 679 mm Hg a 1,000 msnmp = 605 mm Hg a 2,000 msnmp = 526 mm Hg a 3,000 msnm

T = 25ºC de los datos692.0

25273526*392.0

H

ESTANDARCORREGIDO K

NBAINBAI

* (3)(3)

kVNBAIK

NBAI CORREGIDOHESTANDAR _1084

692.0750*1*

kVNBAITCF _1128961.0

1084961.0

NBAI = 0.961 TCF (1), despejando TCF

TCF = K3 d (kV)TCF = K3 d (kV) (2), despejando (2), despejando dd

metrosd _05.2550

1128

Un aislador de suspensiUn aislador de suspensióón tn tíípico de normas IEC, pico de normas IEC, tiene una longitud de 146 tiene una longitud de 146 mmmm, con discos de 254 , con discos de 254 mmmm de dide diáámetro.metro.

ÉÉsta es la distancia Min. de arqueosta es la distancia Min. de arqueo

La cantidad de aisladores por distancia elLa cantidad de aisladores por distancia elééctrica ctrica (2.05 m) la determinamos de la siguiente forma, (2.05 m) la determinamos de la siguiente forma, sabiendo que la distancia de cada aislador es sabiendo que la distancia de cada aislador es 146 146 mmmm: :

aisladoresaisladoresde _141462050_#

De lo anterior, por distancia elDe lo anterior, por distancia elééctrica requerimos ctrica requerimos cuando menos 14 aisladorescuando menos 14 aisladores

El aislador tipo Normal El aislador tipo Normal tiene una distancia de tiene una distancia de fuga de 292 fuga de 292 mmmm

Revisaremos ahora por contaminaciRevisaremos ahora por contaminacióón, conforme a lo n, conforme a lo requerido para un nivel de contaminacirequerido para un nivel de contaminacióón Alto (25 n Alto (25 mmmm/kV) y un voltaje nominal de 220 kV, tenemos /kV) y un voltaje nominal de 220 kV, tenemos que se requiere:que se requiere:Distancia de fuga requerida = 25*220 = 5,500 Distancia de fuga requerida = 25*220 = 5,500 mmmm,,La cantidad de aisladores normales, los que tienen La cantidad de aisladores normales, los que tienen una distancia de fuga de 292 una distancia de fuga de 292 mmmm, que se requieren , que se requieren por contaminacipor contaminacióón se obtiene conn se obtiene con::

aisladoresacionContaporaisladoresde _19292500,5min___#

Debido a que no deseamos aumentar el nDebido a que no deseamos aumentar el núúmero de mero de aisladores de 14 a 19 porque eso aumentaraisladores de 14 a 19 porque eso aumentaríía la a la distancia de arqueo y por consiguiente el NBAI, lo distancia de arqueo y por consiguiente el NBAI, lo que causarque causaríía la posibilidad de que llegaran a la a la posibilidad de que llegaran a la subestacisubestacióón ondas de sobren ondas de sobre--tensitensióón de mayor voltaje n de mayor voltaje a trava travéés de las ls de las lííneas.neas.Usando aisladores tipo Niebla que como en el modelo Usando aisladores tipo Niebla que como en el modelo que se muestra en la figura siguiente tiene una que se muestra en la figura siguiente tiene una distancia de fuga de 432 distancia de fuga de 432 mmmm, obtenemos que , obtenemos que requerimos cuando menos 13 aisladores tipo Niebla:requerimos cuando menos 13 aisladores tipo Niebla:

aisladoresacionContaporaisladoresde _13432500,5min___#

El aislador tipo Niebla El aislador tipo Niebla tiene una distancia de tiene una distancia de fuga de 432 fuga de 432 mmmm

AquAquíí debemos tomar una decisidebemos tomar una decisióón, si colocamos 19 n, si colocamos 19 aisladores, entonces el NBAI va a aumentar, si aisladores, entonces el NBAI va a aumentar, si colocamos 14 aisladores o menos entonces la colocamos 14 aisladores o menos entonces la distancia de fuga requerida por contaminacidistancia de fuga requerida por contaminacióón n disminuye.disminuye.Otra opciOtra opcióón es sustituir algunos aisladores normales n es sustituir algunos aisladores normales por otros tipo niebla que tienen una distancia de fuga por otros tipo niebla que tienen una distancia de fuga mayor (432 mayor (432 mmmm), revisando los valores obtenidos ), revisando los valores obtenidos encontramos que podemos cumplir con las dos encontramos que podemos cumplir con las dos condiciones (NBAI y Distancia de Fuga) colocando 9 condiciones (NBAI y Distancia de Fuga) colocando 9 aislador tipo niebla y 5 aisladores tipo normal, ya que aislador tipo niebla y 5 aisladores tipo normal, ya que ambos tipos de aisladores tienen la misma longitud ambos tipos de aisladores tienen la misma longitud pero diferente distancia de fuga.pero diferente distancia de fuga.

La soluciLa solucióón para el caso planteadon para el caso planteado

Para este caso, la soluciPara este caso, la solucióón tn tíípica es usar 14 pica es usar 14 aisladores tipo Niebla + uno normal en el aisladores tipo Niebla + uno normal en el extremo para facilitar los trabajos en extremo para facilitar los trabajos en caliente. (los tipo Niebla por los faldones caliente. (los tipo Niebla por los faldones que son mas largos, ocultan el herraje de que son mas largos, ocultan el herraje de conexiconexióón dificultando usar las herramientas)n dificultando usar las herramientas)

BibliografBibliografíía:a:

NOMNOM--001001--SEDESEDE ESPECIFICACIONES DE CFEESPECIFICACIONES DE CFE

FIDENCIO ONDARZA VILLARREAL, IMEFIDENCIO ONDARZA VILLARREAL, IMEfidencio@ondarza.orgfidencio@ondarza.org