estudio de coordinaciÓn de aislamiento por sobretensiones de origen atmosfÉrico en la lÍnea...
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8/10/2019 ESTUDIO DE COORDINACIN DE AISLAMIENTO POR SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFRICO EN LA LNEA MAC
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO
ABAD DEL CUSCO
FACULTAD DE INGENIERA: ELCTRICA, ELECTRNICA,
MECNICA Y MINAS.
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERA ELCTRICA.
Tesis para optar al
TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
Presentado por:Br. ALEX RIMAYHUAMAN HUAMANTTICA,
Br. LUIS ALBERTO CURO AYMA.
ASESOR:
ING. DONATO MAMANI PARI
US O PER
2014
ESTUDIO DE COORDINACI N DE AISLAMIENTO PORSOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFRICO EN LALNEA MACHUPICCHU - QUILLABAMBA EN 60 KV.
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PRESENTACION
Sr. Decano de la facultad de ingeniera: Elctrica, Electrnica, Mecnica y
Minas.
En cumplimiento con los preceptos que establece la ley de la Universidad
Nacional De San Antonio Abab Del Cusco, Presentamos a su consideracin
nuestro trabajo de tesis Titulado:
ESTUDIO DE COORDINACIN DE AISLAMIENTO POR
SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFRICO EN LA LNEA
MACHUPICCHU - QUILLABAMBA EN 60 KV.
Siendo la electricidad sinnimo de progreso y calidad de vida, en una
sociedad moderna, su ausencia si esta es prolongada, supone
consecuencias no solo econmicas sino tambin sociales por lo que existe
la necesidad de establecer alternativas de solucin para la mejora de los
indicadores de calidad de suministro.
Todo esto conlleva a realizar un estudio del comportamiento de la lnea de
transmisin Machupicchu-Quillabamba, ante las descargas atmosfricas
para estimar la tasa de salidas forzadas por fallas de apantallamiento; y por
consiguiente se podrn plantear estrategias que minimicen esta tasa de
salidas.
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AGRADECIMIENTOS A:
ASESOR Por ser nuestro gua en la elaboracin
de esta tesis de graduacin.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE Por brindarnos la oportunidad de
SAN ANTONIO ABAB DEL CUSCO estudiar en sus aulas universitarias.
CARRERA DE INGENIERIA Por habernos otorgado la dicha de
ELECTRICA ser profesionales, INGENIEROS
ELECTRICISTAS.
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DEDICATORIA
A mis padres, FelipeRimayhuaman Santacruz yPaulina Huamanttica Condori
por sus apoyos incondicionalesy sus consejos, no hay nadaque sea imposible.
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RESUMEN
Para una mejor comprensin del desarrollo del presente trabajo,
presento este resumen de los temas que se abordan.
En el primer captulo, se abordan los aspectos genricos en el que se
presentan los objetivos del trabajo, los alcances as como su
justificacin, es decir la motivacin que permita su desarrol lo.
En seguida en el captulo II se abordan los aspectos terico conceptual
que constituyen la base de anlisis de la propuesta formulada en el que
se precisan las caractersticas de los sistemas de elctricos y las de las
descargas atmosfricas, as como las caractersticas operativas de los
mismos.
En el captulo III se describen la metodologa de Apantallamiento de
Lneas de Transmisin, Modelo Electrogeomtrico, Clculo de Tasa de
Salidas, Diseo de Puestas a Tierra, Seleccin de Pararrayos y
Aisladores, tomando en consideracin la normativa especializada.
En el captulo IV se describen las caractersticas operativas de la lnea
Machupicchu - Quillabamba en 60kv. en actual operacin , haciendo
especial nfasis en los parmetros de la descarga atmosfrica y los
equipos ligados a ellos lo que constituye el diagnostico operativo.
En el Captulo V se describe el Modelamiento de la Lnea de
Transmisin con el Software especializado ATP, descripcin del entorno
del programa, Modelamiento de los componentes de la Lnea de
Transmisin en estado actual, Simulacin de escenarios en la Lnea
Equivalente, en distintos escenarios, incorporando una metodologa dela implementacin de Pararrayos de Oxido Metlico por fase.
Un aspecto de mucha importancia en la ingeniera moderna, es la
capacidad de prever el comportamiento mediante diversos medios de
simulacin los mismos que nos permiten disear una alternativa capaz
de constituirse en una solucin al problema planteado, para el caso, el
planteamiento del estudio se aborda en el captulo V, en el que se
presentan los resultados de las simulaciones su correspondienteinterpretacin y sensibilizacin.
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CONTENIDO
INDICE DE GRAFICOS.
INDICE DE TABLAS.
INDICE DE SIMBOLOS.
MATRIZ DE CONSISTENCIA.
CAPITULO I 1
1. GENERALIDADES 1
1.1. AMBITO GEOGRAFICO 1
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 2
1.3. FORMULACION DEL PROBLEMA. 4
1.4. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO. 4
1.5. OBJETIVOS Y ALCANCES 61.5.1. OBJETIVO GENERAL 6
1.5.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 6
1.6. HIPOTESIS 61.6.1. HIPOTESIS GENERAL 6
1.6.2. HIPOSTESIS ESPECIFICAS 7
1.7. VARIABLES E INDICADORES. 71.8. ALCANCES Y LIMITACIONES. 8
1.9. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL. 9
1.10. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION. 11
CAPITULO II 13
2. MARCO TEORICO Y NORMATIVO 13
2.1. ASPECTO NORMATIVO. 13
2.2. DEFINICIONES BASICAS Y GENERALIDADES. 15
2.3. DEFINICIONES DE COORDINACION DE AISLAMIENTO. 172.3.1. FINALIDAD. 17
2.3.2. ANTECEDENES 17
2.3.3. PROCEDIMIENTOS DE COORDINACION DE AISLAMIENTO 18
2.4. SOBRETENSIONES 192.4.1. DEFINICION 19
2.4.2. CLASIFICACIN Y CARACTERSTICAS DE LAS SOBRETENSIONES 19
2.5. NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADO 222.5.1. Aislamiento fase-fase rango I. 22
2.5.2. Aislamiento fase-fase rango II. 22
2.6. ONDAS DE SOBRETENSION Y SU PROPAGACION 25
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2.6.1. PROPAGACIN Y REFLEXIN DE ONDAS 25
2.6.2. NODO DE TRANSICIN. 27
2.6.3. TERMINACIN DE LNEA. 28
2.6.4. PUNTO DE BIFURCACIN. 30
2.6.5. LNEA EN VACIO 312.6.6. LNEA EN CORTOCIRCUITO. 31
2.7. SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFERICAS. 322.7.1. FORMACION DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS. 32
2.7.2. PARMETROS DEL RAYO. 34
2.8. APANTALLAMIENTO EN LINEAS DE TRANSMISION. 392.8.1. DESCARGA A LOS CABLES DE GUARDA 40
2.8.2. DESCARGAS DIRECTAS A LA TORRE DE TRANSMISION 41
2.8.3. DESCARGA EN MEDIO VANO. 41
CAPITULO III 43
3. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION Y SUBESTACIONES. 43
3.1. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION. 433.1.1. INTRODUCCION AL APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRASMISION. 43
3.1.1.1. DISTANCIA CRTICA 44
3.1.2. MODELO ELECTROGEOMETRICO. 46
3.1.2.1. CALCULO DE LAS DISTANCIAS DE EXPOSICION DE LOS CONDUCTORES DE
FASE (Dc) Y CABLES DE GUARDA (Dg) 49
3.1.2.2. INTENSIDAD MAXIMA DE FALLO DE APANTALLAMIENTO 51
3.1.2.3. TASA DE SALIDAS 52
3.1.3. DISEO DE PUESTA A TIERRA. 543.1.3.1. INTRODUCCION. 54
3.1.3.2. CRITERIOS DE DISEO. 55
3.1.3.3. PROCEDIMIENTO DE DISEO 55
3.1.3.4. CONFIGURACIONES A UTILIZAR PARA TORRES DE CELOCIA. 56
3.1.3.5. DETERMINACION DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 59
3.1.4. PARARRAYOS 62
3.1.4.1. PARARRAYOS DE OXIDO DE ZINC SIN EXPLOSORES 62
3.1.4.2. VENTAJAS DE LOS PARARRAYOS ZnO. 63
3.1.4.3. CRITERIOS DE SELECCIN DE PARARRAYOS. 64
3.1.4.4. ELECCION DE LA CORRIENTE NOMINAL. 64
3.1.5. AISLADORES. 693.1.5.1. MATERIALES. 70
3.1.5.2. TIPOS DE AISLADORES. 71
3.1.5.3. CRITERIOS DE SELECCIN DE AISLADORES 72
3.1.5.4. SELECCIN DE AISLADORES 74
3.2. APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES. 753.2.1. INTRODUCCION AL APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES. 75
3.2.2. APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES CON CABLES DE GUARDA 76
3.2.3. APANTALLAMIENTO DE SUB ESTACIONES MEDIANTE PUNTAS FRANKLIN. 79
3.2.3.1. Una Punta Franklin 79
3.2.3.2. Dos Puntas Franklin. 803.2.3.3. Tres Puntas Franklin. 84
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3.2.3.4. Ms de tres Puntas Franklin. 87
CAPITULO IV. 90
4. DIAGNOSTICO DE LA LINEA 60KV MACHUPICCHU QUILLABAMBA. 90
4.1. GENERALIDADES DE LA LINEA DE TRANSMISION. 90
4.2. DATOS ESTADISTICOS CONSIDERADOS. 91
4.3. DIAGRAMA UNIFILAR DE LA LINEA. 92
4.4. CARACTERSTICAS ELCTRICAS DEL SISTEMA. 92
4.5. CARACTERSTICAS GENERALES DE LA LNEA. 93
4.6. CARACTERSTICAS ESPECFICAS DE LA LINEA. 93
4.7. CARACTERSTICAS DEL EQUIPAMIENTO. 944.7.1. SUBESTACIONES DE TRANSFORMACION. 94
4.7.2. ESTRUCTURAS METLICAS. 974.7.3. CONDUCTORES. 99
4.7.4. CABLE DE GUARDA. 100
4.7.5. AISLADORES. 100
4.7.6. PUESTA A TIERRA. 100
4.7.7. PARARRAYOS. 101
4.7.8. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. 101
4.7.9. CALCULOS DE LOS PARAMETROS ELECTRICOS. 102
4.7.10. RESISTENCIA ELCTRICA. 102
4.7.11. REACTANCIA INDUCTIVA. 102
4.7.12. IMPEDANCIA SERIE UNITARIA. 103
4.7.13. IMPEDANCIA DE SECUENCIA CERO. 1034.7.14. IMPEDANCIA PARALELA UNITARIA. 104
4.7.15. IMPEDANCIA CARACTERSTICA. 104
4.7.16. POTENCIA NATURAL. 105
4.8. EVALUACION DEL NIVEL DE APANTALLAMIENTO DE LA LINEA 6002 MACHUPICCHUQUILLABAMBA. 105
4.9. EVALUACION DEL NIVEL DE APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION DE LLEGADAURPIPATA EN 60KV. 108
4.9.1. Apantallamiento del transformador de Potencia. 109
4.10. FOTOGRAFIAS DEL ESTADO DE LA LINEA DE TRANSMISION 6002 MACHUPICCHU
QUILLABAMBA. 113
CAPITULO V 116
5. MODELAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION CON EL SOFTWARE ATP 116
5.1. DESCRIPCION DEL ENTORNO DEL PROGRAMA ALTERNATIVE TRANSIENTSPROGRAM, ATP. 116
5.1.1. INTRODUCCION AL PROGRAMA ATP/EMTP. 116
5.1.2. INTEGRACION NUMERICA UTILIZANDO REGLA TRAPEZOIDAL 118
5.1.3. PROGRAMA ALTERNATIVO DE TRANSITORIOS ATP. 118
5.1.4. MODULOS DE SIMULACION INTEGRADA. 121
5.1.5. PROGRAMAS IMPORTANTES DE SOPORTE INTEGRADO. 122
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5.2. MODELAMIENTO DE COMPONENTES EN LINEAS DE ALTA TENSION 1235.2.1. PARAMETRO DE TRAMOS DE LINEA: CONDUCTORES DE FASE Y GUARDA,
MODELADOS CON ATPDRAW. 123
5.2.2. REPRESENTACION DE LAS ESTRUCTURAS DE SOPORTE DE LA LINEA DE
TRANSMISION. 1245.2.3. REPRESENTACION DE AISLADORES 125
5.2.4. REPRESENTACION DE LA PUESTA A TIERRA. 126
5.2.5. REPRESENTACION DE LA DESCARGA ATMOSFERICA. 127
5.2.6. REPRESENTACION DE APARTARRAYOS 128
5.2.7. MODELO EQUIVALENTE EN LA LINEA DE 60 KV EN ATP. 129
5.2.8. ESCENARIOS DE SIMULACION EN LA LINEA EQUIVALENTE DE 60KV CON EL
ATPDRAW. 130
5.2.9. COMPARATIVO DE SOBRETENSIONES Y SOBRECORRIENTES. 137
CONCLUSIONES 141
RECOMENDACIONES 142
BIBLIOGRAFA. 143
ANEXOS. 145
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INDICE DE GRAFICOS
CAPITULO I
FIGURA N 1. 1 Mapa de Ubicacin Geogrfica Regional, Provincial, Rutas de Acceso. 1FIGURA N 1. 2 Vista Satelital de la Lnea 6002 Machupicchu Quillabamba, Rutas deAcceso. 2
FIGURA N 1. 3 Descripcin de las Interrupciones ms Representativas en la Lnea 6002Machupicchu Quillabamba. 3
FIGURA N 1. 4 Tasa de Salidas Anuales 20052013 L. de Transmisin hasta 220KV. 4
CAPITULO II
Figura N 2. 1 Lnea con parmetros distribuidos 25
Figura N 2. 2 Relacin entre ondas de tensin y de corriente. 26
Figura N 2. 3 Reflexin y refraccin en un nodo de transicin (interconexin de un cablecon una lnea de transmisin). 27
Figura N 2. 4 Terminacin de lnea. 29
Figura N 2. 5 Punto de bifurcacin 30
Figura N 2. 6 Nube Cumulolimbus 32
Figura N 2. 7 Canal lder negativo y positivo 33
Figura N 2. 8 Clasificacin de las descargas nube-suelo por su polaridad. 34
Figura N 2. 9 Mapa de niveles isoceraunicos del Per 37
Figura N 2. 10 Mapa de niveles Isoceraunicos Regin Cusco 38
Figura N 2. 11 Forma de onda del rayo 39
Figura N 2. 12 Apantallamiento con un solo cable de guarda 40
Figura N 2. 13 Flameo Inverso en una torre con dos cables de guarda 40
Figura N 2. 14 Conduccin de una onda por descarga atmosfrica a medio vano delcable de guarda 42
CAPITULO III
Figura N 3. 1 Distancias crticas del cable de guarda, conductor de fase y tierra 45
Figura N 3. 2 El modelo geomtrico: definicin de ngulos y distancias. 47
Figura N 3. 3 Vista ampliada de la Figura N 3.2 50
Figura N 3. 4 Vista ampliada de la figura N 3.3 50
Figura N 3. 5 Clculo de y 51
Figura N 3. 6 Configuracin Tipo A 56
Figura N 3. 7 Configuracin Tipo B 57
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Figura N 3. 8 TIPO-C 57
Figura N 3. 9 TIPO-D 58
Figura N 3. 10 Configuracin Tipo E 59
Figura N 3. 11 Corte de un Pararrayos de xido de Zinc. 63
Figura N 3. 12 Cadena de aisladores. 71
Figura N 3. 13 Zona de apantallamiento para dos cables de guarda 77
Figura N 3. 14 Zona de apantallamiento acortando la distancia de separacin entrecables 78
Figura N 3. 15 Diagrama de apantallamiento con dos cables de guarda 78
Figura N 3. 16 Apantallamiento fuera de los cables de guarda 79
Figura N 3. 17 Zona de apantallamiento para una nica punta Franklin. 80
Figura N 3. 18 Vista en planta de la zona apantallada por dos puntas Franklin 81
Figura N 3. 19 Esquema del problema de dos puntas Franklin 82
Figura N 3. 20 Zona apantallada para dos puntas Franklin. 83
Figura N 3. 21 Rc es la distancia al punto central 84
Figura N 3. 22 Calculando la distancia Rc 85
Figura N 3. 23 Buscando Ymc 85
Figura N 3. 24 Apantallamiento dentro del tringulo 86
Figura N 3. 25 Vista en planta de la zona de apantallamiento para tres puntas Franklin. 87
Figura N 3. 26 Un caso con cuatro puntas Franklin se puede dividir en dos casos de trespuntas Franklin 87
Figura N 3. 27 Casos especiales de cuatro puntas Franklin 88
Figura N 3. 28 Caso de cuatro puntas Franklin formando un cuadrado. 89
CAPITULO IV
Figura N 4. 1 Vista Satelital de la Lnea 6002 Machupicchu QUillabamba, Rutas deacceso. 90
Figura N 4. 2 Diagrama Unifilar de la Lnea de Transmisin L-6002 (Machupichu
Quillabamba). 92
Figura N 4. 3 Estructura de tipo S, es una estructura de Alineamiento. 98
Figura N 4. 4 Estructura de tipo A, es una estructura de Anclaje. 98
Figura N 4. 5 Estructura de tipo T, es una estructura de Angulo. 99
Figura N 4. 6 Detalle Ensamblaje cadena de aisladores clase ANSI 52-3. 100
Figura N 4. 7 Disposicin geomtrica de las distancias criticas 105
Figura N 4. 8 apantallamiento del transformador de potencia de la subestacin dellegada 60KV intemperie. 112
Figura N 4. 9 En Detalle Estructura tipo T, en la llegada a la Sub Estacin de Urpipata. 113
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Figura N 4. 10 En Detalle Estructura tipo T, en la llegada a la Sub Estacin de Urpipata. 114
Figura N 4. 11 En Detalle Estructura tipo A, de angulo y anclaje. 115
CAPITULO VFigura N 5. 1 Evolucin del clculo de los tiempos de integracin discretos 118
Figura N 5. 2 Modelos utilizados en el simulador ATP-EMTP 119
Figura N 5. 3 Identificacin de elementos que se utilizan en el programa ATP 121
Figura N 5. 4 Modelamiento de parmetros de conductores en ATP. 124
Figura N 5. 5 Silueta cnica 124
Figura N 5. 6 Modelo para representar una estructura 125
Figura N 5. 7 Modelamiento de aisladores 126
Figura N 5. 8 Modelamiento de puesta a tierra. 127
Figura N 5. 9 Modelo de fuente de rayo tipo Hedler. 128
Figura N 5. 10 Modelamiento de apartarrayos ZnO en ATP. 128
Figura N 5. 11 Modelo equivalente de la Linea de 60KV en ATP. 129
Figura N 5. 12 Sobretensiones en el cable de guarda y conductores de fase A,B,C 130
Figura N 5. 13 Sobretensiones en los aisladores fases A,B,C 130
Figura N 5. 14 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A 131
Figura N 5. 15 Sobretensiones en el cable de guarda y conductores de fase A,B,C 132Figura N 5. 16 Sobretensiones en los aisladores fases A,B,C 132
Figura N 5. 17 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A 133
Figura N 5. 18 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A y cable de guardaconsiderando 7 aisladores de suspensin y corriente de rayo 27 KA 134
Figura N 5. 19 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A y cable de guardaconsiderando 8 aisladores de suspensin y corriente de rayo 31 KA 134
Figura N 5. 20 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A y cable de guardaconsiderando 9 aisladores de suspensin y corriente de rayo 35 KA 135
Figura N 5. 21 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A y cable de guardaconsiderando 10 aisladores de suspensin y corriente de rayo 39 KA 135
Figura N 5. 22 Sobretensin en la cadena aisladores considerando pararrayos por cadafase. 136
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INDICE DE TABLAS
CAPITULO I
Tabla N 1. 1 Performance de Lneas de Transmisin hasta 220kv. 4
Tabla N 1. 2 Listado de Interrupciones de la Lnea 6002 60KV . 5
CAPITULO I I
Tabla N 2. 1 Clasificacin de sobretensiones 21
Tabla N 2. 2 Niveles de Aislamiento Rango I, IEC. (1KV
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Tabla N 5. 4 Tasa de salidas en la lnea de transmisin Machupicchu-Quillabamba porfalla de apantallamiento y flameos inversos. 140
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INDICE DE SIMBOLOS.
SIMBOLO SIGNIFICADO
ANSI American National Standards Institute.
CG Cable de Guarda.
C Capacitancia
CNEE Comisin Nacional de Energa Elctrica
CF Conductor de Fase
Ec Ecuacin
ELSE Electro Sur Este S.A.A.GIS Gas Insulated Substations
Hz Hertzio
L Inductancia
IEEE Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos
IEC International Electrotechnical Commission
KHz Kilohertzio
Km KilmetroKV Kilovoltio
MHz Megahertzio
ND Tasa de cebados directos por cada 100 Km
Ninv Tasa de cebados inversos por cada 100 Km
s Microsegundo
NBI Nivel Bsico de Impulso
% Porcentaje
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GLOSARIO DE TERMINOS.
1. SOBRETENSIONES TEMPORALES. Pueden ser originadas por faltas,
maniobras tales como perdida de carga, condiciones de resonancia,
condiciones no lineales (Ferroresonancia), o por una condicin de estas.
2. SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO. Pueden ser originadas por
faltas, maniobras o descargas directas de rayo sobre los conductores de
lneas areas.
3. SOBRETENSIONES DE FRENTE RAPIDO. Pueden ser originadas por
maniobras, descargas de rayo o fallas.
4. SOBRETENSIONES DE FRENTE MUY RAPIDO. Pueden ser originadaspor faltas o maniobras en las celdas de aislamiento en gas de las
subestaciones.
5. SOBRETENSIONES COMBINADAS. Pueden tener cualquiera de los
orgenes mencionados. Se Producen entre fases de una red (sobretensin
entre fases) o en la misma fase entre partes separadas de una red
(sobretensin longitudinal).
6. RUPTURA DIELECTRICA. provocada por una sobretensin, que daa esel material aislante interno, solido o lquido.
7. CONTORNEO. Cuando se origina una descarga en un aislamiento externo,
es decir a travs del aire.
8. SISTEMA DE TRANSMISION.Conjunto de Instalaciones para la
transformacin y transporte de la energa elctrica con tensiones igual o
superiores a 30KV.
9. SUBESTACIONES.Parte de una red elctrica, concentrada en un lugardado, incluyendo principalmente los terminales de los dispositivos de
control y maniobra, las celdas de las lneas de transmisin o distribucin,
que tambin podra incluir transformadores.
10.LINEA DE TRANSMISION.Dispositivo de apoyos, conductores, ferretera,
aisladores y accesorios para transmitir electricidad a una tensin igual o
superior a 30KV. Entre dos puntos de un sistema.
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11. INTERRUPCION.Segn la norma tcnica Peruana de Calidad de los
servicios elctricos se considera interrupcin a toda falta de suministro
elctrico en un punto de entrega.
12.CIGRE. Consejo Internacional de Grandes Redes Elctricas.
13. IEEE.Instituto de ingenieros Elctricos y Electrnicos, asociacin tcnico-
profesional mundial dedicada a la estandarizacin.
14. IEC.Comisin electrotcnica internacional, asociacin internacional de
estandarizacin internacional.
15.ANSI.Instituto americano nacional de estandarizacin, organizacin
americana de estandarizacin tecnologas en EEUU.
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MATRIZ DE CONSISTENCIA
DISE O TE RICOPROBLEMA OBJETIVOS HIPTESIS (o Idea a defender) VARIABLE(S)
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
La Lnea de Transmisin Machupicchu-
Quillabamba a lo largo de su recorrido (39.13
Km), atraviesa diferentes zonas geogrficas
sensibles a una alta densidad de descargas
atmosfricas.A causa de las sobretensiones de origen
atmosfrico, se incrementa el nmero de fallas
en la lnea rea, esto se traduce como un
problema de gran magnitud para la cal idad del
servicio elctrico que genera inconvenientes
que perturban a las sociedades de muchas
maneras, debido a que dichas fallas ocasionan
interrupciones del suministro de energa
elctrica por un tiempo considerable.
Todo esto conlleva a realizar un estudio del
comportamiento de la lnea de transmisin
Machupicchu-Quillabamba, ante las descargas
atmosfricas para estimar la tasa de salidas
forzadas por fallas de apantallamiento; y por
consiguiente se podrn plantear estrategias
que minimicen esta tasade salidas.
FORMULACION DEL PROBLEMA.Es necesario establecer una propuesta demejoramiento del aislamiento de la Lnea de
Transmisin Machupicchu-Quillabamba?
OBJETIVO GENERAL
Analizar el efecto de las sobretensiones
transitorias por descargas atmosfricas sobre
la lnea de transmisin Machupicchu-
Quillabamba en 60 KV y plantear alternativaspara minimizar la tasa de salidas por fallas de
aislamiento.
OBJETIVOS ESPECIFICOS.
a. Modelar la lnea area de transmisin
Machupicchu - Quillabamba a travs del
programa ATP Draw (Alternative Transient
Programa), para realizar simulaciones y
predecir posibles fallas de aisl amiento bajo
distintos escenarios.
b. Analizar la influencia de lo s parmetros de
la onda del rayo y los elementos
apantalladores sobre la respuesta de
aislamiento de la lnea de transmisin en
estudio.
c. Evaluar el apantallamiento de la subestacin
de llegada de la lnea 6002.
d. Evaluar el desempeo de la lnea area de
transmisin Machupicchu-Quillabamba en 60
KV, por efecto de descargas atmosfricas
directas.
e. Implementar la metodologa de
coordinacin de aislamiento, en base a la
determinacin de la tasa de salidas, por
sobretensiones transitorias, que permitan
dimensionar y seleccionar el aislamiento de
los componentes elctricos.
HIPOTESIS GENERAL
Es posible garantizar la confiabilidad de la
Lnea Machupicchu Quillabamba frente a las
ondas transitorias de sobre tensin de origen
atmosfrico, a travs de los procedimientos decoordinacin de aislamiento, establecidos por
la normativa especializada.
HIPOTESIS ESPECIFICAS
a. Es posible desarrollar el estudio de la
Coordinacin de Aislamiento a travs de la
modelacin de los parmetros de la lnea que
lograr determinar el nivel adecuado de
aislamiento y que permitir a su vez la
Transmisin confiable de la energa elctrica
en la lnea Machupicchu Quillabamba.
b. Es posible Verificar si la Lnea Machupichu
Quillabamba est logrando un Angulo de
apantallamiento ideal para la proteccin de las
fases de la Lnea de transmisin.
c. En sistemas de transmisin las
sobretensiones por impacto directo de rayos
son ms severas que cuanto el impacto se da
en los alrededores de las estructuras desoporte.
VARIABLES INDEPENDIENTES
Nivel Isocerunico
Densidad de descargas
Amplitud de corriente del rayo
Forma de onda de corriente del rayo
VARIABLES DEPENDIENTES
Sobretensiones transitorias
Sobrecorrientes transitorias
Impedancia caracterstica
Nivel de aislamiento
VARIABLES INTERVINIENTES
Polaridad de la descarga del rayo
Tiempo de frente de onda
Tiempo de baja de onda
Resistividad del terreno.
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DISEO METODOLGICO
METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION BASES TEORICAS CONCLUSIONES
TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION.
Siendo la propuesta correspondiente a una
investigacin bsica esta se enmarca de la siguiente
manera:
Tipo de investigacin : Aplicativo.
Mtodo : Descriptivo evaluativo.
Diseo : Experimental
El mismo que se caracteriza por describir los
fenmenos en forma general sin atender a
explicaciones particulares. Para alcanzar los
objetivos, la investigacin tendr un nivel
descriptivo, por estar orientado a determinar la
relacin entre los parmetros del rayo y la respuesta
de aislamiento de las lneas de transmisin.
Para el desarrollo del presente estudio esnecesario revisar los siguientes conceptos,que sern ampliados los captulos II y III:
Clasificacin de sobretensiones.
Niveles de Aislamiento Normalizados IEC.Teora de ondas viajeras.
Proceso de descarga del rayo.
Parmetros rayo.
Elementos de proteccin contra los rayos.
Desempeo de las lneas de transmisin
frente al impulso atmosfrico.
Modelamiento de componentes elctricos en
ATP.
Metodologa de clculo de tasa de salidas por
fallas de aislamiento
PRIMERO: El programa Alternative Transients Program (ATP)permiti analizar en el dominio del tiempo la influencia defenmenos transitorios externos en la transmisinMachupicchu-Quillabamba; asimismo se evalu la respuesta deaislamiento del cable de guarda, aisladores, puesta a tierrapara distintos escenarios.
SEGUNDO: Del desempeo de aislamiento de la lnea detransmisin para frentes de rayo (1.2/50 s) con intensidadesseveras de 18 a 70 KA e impedancias de puesta a tierra de 15a 25 se concluye que: en cable de guarda se lleg a unrango de 1.2 - 4 MV, la falla de aislamiento por flameo inversose produjo a la intensidad de 24 KA para las estructuras dealineamiento tipo A mientras que con 18 KA se produjo estemismo fenmeno en las estructuras de anclaje y ngulo tipo T
TERCERO: El apantallamiento actual de la subestacin brinda unaprobabilidad muy baja de cebado directo en la posicin deltransformador, no existe probabilidad de falla por cebadoinverso en el mismo, considerando adems el efectoautovlvula y del pararrayo de xido metlicos instalados, laposibilidad de falla por sobretensiones transitorias es nula.
CUARTO: El actual diseo de aislamiento de la Lnea deTransmisin Machupicchu-Quillabamba fue sometido a pruebasde impulso atmosfrico y variacin de parmetros deapantallamiento; los resultados demuestran que la tasa desalidas por fallo de apantallamiento y descargas inversas oflameo inverso es de 11 salidas al ao, lo que es ndicebastante elevado.
QUINTO: Analizado la tabla N 5.4, vemos que incrementando de 6a 10 el nmero de aisladores ANSI 52-3 se logra disminuir la
tasa de salidas a 6 fallos por ao, sin embargo este valor andebe ser mejorado, por lo tanto en base a resultados de latabla N 5.1, se propone un diseo ms adecuado deaislamiento considerando adicionar al actual, equipos depararrayos de lnea por cada fase. Esta opcin ms el diseode la puesta a tierra en 20 permitira un nivel deamortiguamiento para corrientes de rayo mayores a los 70 KAsin producir flameo inverso.
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CAPITULO I
1. GENERALIDADES
1.1. AMBITO GEOGRAFICO
El mbito geogrfico del presente estudio se ubica en el departamento de
Cusco, en las provincias de La Convencin y Urubamba. La ruta de lnea
transmisin est entre las coordenadas 124900S, 724700O, zona horaria UT-
5:00 y 130919S, 723122O, zona horariaUT-5:00 segn las cartas del Instituto
Geogrfico Nacional.
FIGURA N 1. 1 Mapa de Ubicacin Geogrfica Regional, Provincial, Rutas de Acceso.
LEGENDACarretera Inter-Provincial :Limite Regional :Lnea 6002, 60KV :
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FIGURA N 1. 2 Vista Satelital de la Lnea 6002 Machupicchu Quillabamba, Rutas deAcceso.
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Electro Sur Este S.A.A. es una empresa dedicada a la distribucin y
comercializacin de energa elctrica en zonas de concesin otorgadas porel estado Peruano, as como la generacin y transmisin elctrica en los
sistemas aislados.
Durante el cumplimiento de sus operaciones, Electro Sur Este tiene
diferentes problemas referidos a la coordinacin de aislamiento por
sobretensiones de origen atmosfrico en gran parte del mbito de
concesin; estos problemas se manifiestan con mayor severidad en los
distritos pertenecientes a la provincia de La Convencin, que se
caracterizan por su clima hmedo, grandes precipitaciones pluviales,
accidentada geografa y exposicin a una alta cada de rayos; tal cual
corresponde a las zonas de transicin entre sierra, ceja de selva y selva
respectivamente.
La Lnea de Transmisin Machupicchu-Quillabamba a lo largo de su
recorrido (39.13 Km), atraviesa diferentes zonas geogrficas sensibles a
una alta densidad de descargas atmosfricas.
Santa MaraMaranura
Aguas Calientes
QUILLABAMBA
Carretera Quillabamba CuscoS.E. URPIPATA
Maranura
Santa Teresa
Aguas Calientes
LINEA 60KV MACHUPICCHU QUILLABAMBA
S.E. MACHUPICCHU
LEGENDA
Carretera Inter-Provincial :Lnea 6002 60kv :
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Descargas atmosfricas
Fuertes vientos
Contacto entre conductores
Contacto de red con arbol
Otras, por falla en componentes delsistema de potencia
A causa de las sobretensiones de origen atmosfrico, se incrementa
el nmero de fallas en la lnea rea, esto se traduce como un problema de
gran magnitud para la calidad del servicio elctrico que generainconvenientes que perturban a las sociedades de muchas maneras, debido
a que dichas fallas ocasionan interrupciones del suministro de energa
elctrica por un tiempo considerable, el cual se evidencia en las estadsticas
(Desconexiones anuales no Programadas1) obtenidas de la Empresa
Concesionaria.
FIGURA N 1. 3 Descripcin de las Interrupciones ms Representativas en la Lnea 6002Machupicchu Quillabamba.
De acuerdo a las Estadst icas Nac ion a les d e Su perv is in de l
Per fo rm anc e de Lneas de Tran sm is i n de OSINERGMIN2, las
desconexiones anuales entre los aos 2005 2013, tienen un promedio de
31 desconexiones anuales no programadas en lneas de transmisin
pertenecientes a la Gama I (245Kv).
Las estadsticas Internacionales demuestran que el 65% de las
desconexiones no programadas corresponden a desconexiones originadas
por sobretenciones electromagnticas tipo rayo. Todo esto conlleva a
realizar un estudio del comportamiento de los parmetros de la lnea de
transmisin N6002 Machupicchu-Quillabamba, ante las descargas
atmosfricas para estimar la tasa de salidas forzadas por fallas de
apantallamiento; y por consiguiente se podrn plantear estrategias que
minimicen esta tasa de salidas.
1Centro de Control Electro Sur Este S.A.A.2www.Osinergmin.gob.pe/newweb/uploads/GFE/EtadisticasSupervisionElectrica/3/TRANSMISION
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2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
NdeDesconexiones
Desconexiones en Lineas de Transmision hasta 220kv (frecuencia).
FIGURA N 1. 4 Tasa de Salidas Anuales 20052013 L. de Transmisin hasta 220KV.1.3. FORMULACION DEL PROBLEMA.
Por lo expuesto cabe hacer la siguiente interrogante:
Es necesario establecer una propuesta de mejoramiento del aislamiento de
la Lnea de Transmisin Machupicchu-Quillabamba?
1.4. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO.
De acuerdo a las Estadsticas Supervisin, realizadas por la entidad
fiscalizadora del estado, OSINERMIN entre los aos 2005 al 2013, se tieneun promedio 30 desconexiones no programadas anuales, en lneas de
Transmisin hasta 220KV.
Tabla N 1. 1 Performance de Lneas de Transmisin hasta 220kv.
DESCONEXIONES ANUALES ENLINEAS DE TRANSMISION HASTA 220KV
PERIODO N DESCONEXIONES DURACION (hrs.)
2005 41 31.2
2006 34 114.62007 45 148.52008 29 15.32009 30 42.92010 17 29.32011 25 22.62012 31 492013 25 149.7
Estos valores se reflejan en los Datos obtenidos de la empresa
Concesionaria Electro Sur Este, el cual a travs del procedimiento de
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OSINERGMIN, Res o lu ci n N091-2006-OS/SC3, est en la obligacin de
informar los Registros de Desconexiones mayores o iguales a 3 minutos
(D.S. N 020-97-EM4
).
Tabla N 1. 2 Listado de Interrupciones de la Lnea 6002 60KV5.
RESUMEN DE CAUSAS(N de
desconexiones)(%)
INCIDENCIAS
Descargas atmosfricas 25.00 57%Fuertes vientos 9.00 20%Contacto entre conductores 2.00 5%Contacto de red con rbol 2.00 5%Otras, por falla en componentes del sistema de potencia 6.00 14%
En vista de las constantes salidas de la l nea de transmisin
Machupicchu Quillabamba en 60KV por influencia de sobretensiones de
origen atmosfrico, es conveniente realizar el estudio de coordinacin de
aislamiento,
Por lo expuesto anteriormente podemos decir que los distritos de la
provincia de la Convencin tienen un servicio de suministro de energaelctrica de baja calidad por las siguientes razones:
Causas:
Sobretensiones de origen atmosfrico sobre la lnea de
transmisin Machupicchu - Quillabamba en 60 KV
Deficiente coordinacin de aislamiento.
Efectos
Incmodas interrupciones en el suministro de energa.
Deficiente calidad del suministro
3Procedimiento para Supervisin y Fiscalizacin del performance de los Sistemas de Transmisin.
4
Norma Tcnica de Calidad de los servicios Elctricos D.S. N020-97-EM, 6.1.3 Indicadores de Calidad deSuministro.5Anexo 06 Listado de interrupciones, (Centro de Control de Electro Sur Este 01/01/2013 al31/12/2013)
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1.5. OBJETIVOS Y ALCANCES
1.5.1. OBJETIVO GENERAL
Analizar el efecto de las sobretensiones transitorias por descargas
atmosfricas sobre la lnea de transmisin Machupicchu-Quillabamba en 60
KV y plantear alternativas para minimizar la tasa de salidas por fallas de
aislamiento.
1.5.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
a. Modelar la lnea area de transmisin Machupicchu -Quillabamba a travs del programa ATP Draw (Alternative
Transient Programa), para realizar simulaciones y predecir
posibles fallas de aislamiento bajo distintos escenarios.
b. Analizar la influencia de los parmetros de la onda del rayo y
los elementos apantalladores sobre la respuesta de
aislamiento de la lnea de transmisin en estudio.
c. Evaluar el apantallamiento de la subestacin de llegada de lalnea 6002.
d. Evaluar el desempeo de la lnea area de transmisin
Machupicchu-Quillabamba en 60 KV, por efecto de descargas
atmosfricas directas.
e. Implementar la metodologa de coordinacin de aislamiento, en
base a la determinacin de la tasa de salidas, por
sobretensiones transitorias, que permitan dimensionar yseleccionar el aislamiento de los componentes elctricos.
1.6. HIPOTESIS
1.6.1. HIPOTESIS GENERAL
Se permitir la confiabilidad de la Lnea Machupicchu Quillabamba frente a las
ondas transitorias de sobre tensin de origen atmosfrico, a travs de los
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procedimientos de coordinacin de aislamiento, establecidos por la normativa
especializada.
1.6.2. HIPOSTESIS ESPECIFICAS
a. Es posible desarrollar el estudio de la Coordinacin de
Aislamiento a travs de la modelacin de los parmetros de la
lnea que lograr determinar el nivel adecuado de aislamiento y
que permitir a su vez la Transmisin confiable de la energa
elctrica en la lnea Machupicchu Quillabamba.
b. Es posible Verificar si la Lnea Machupichu Quillabamba est
logrando un Angulo de apantallamiento ideal para la proteccin
de las fases de la Lnea de transmisin.
c. En sistemas de transmisin las sobretensiones por impacto
directo de rayos son ms severas que cuanto el impacto se da
en los alrededores de las estructuras de soporte.
1.7. VARIABLES E INDICADORES.
1.7.1. VARIABLES INDEPENDIENTES.
Nivel Isocerunico (TD).Nmero de das al ao de tormentas
con rayos.
Densidad de descargas (NG). Numero de Descargas nube
Tierra en un rea de 1Km en un Ao.
Amplitud de corriente del rayo P(I). Probabilidad de que lacorriente pico de una descarga atmosfrica sea excedida.
Forma de onda de corriente del rayo (IEC 1.2/50s). Onda
IEC de Impulso completo con un tiempo frontal: 1.2s y tiempo
de valor medio de 50s.
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1.7.2. VARIABLES DEPENDIENTES.
Sobretensiones transitorias. Solicitaciones de tensin muy
elevadas (KV) de muy corta duracin (s).
Sobrecorrientes transitorias. Solicitaciones de corriente muy
elevadas (KA) de muy corta duracin (s).
Impedancia caracterstica. modelos de lneas de transmisin
distribuidos constantes Modelo Bergeron.
Nivel de aislamiento. Niveles normalizados IEC 60071-1,
rango I (1kv
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en 60 KV, con ayuda del programa ATP; en este trabajo se
experimentara el modelo recomendado equivalente por la
normativa y publicaciones especializadas, que permita simularlos elementos fsicos involucrados durante el proceso de una
descarga atmosfrica.
Se utilizara el modelo implementado para realizar simulaciones
aplicadas a la lnea de transmisin MachupicchuQuillabamba
1.8.2. LIMITACIONES
El mtodo presentado para el clculo de problemas de
aislamiento es solo aplicable para lneas de transmisin.
El mtodo computacional propuesto se puede utilizar para el
clculo de problemas de aislamiento para lneas areas de
media y alta tensin.
1.9. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL.
1.9.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION.
Anlisis Transitorio y Coordinacin de Aislamiento para el
Sistema Regional del Cusco, presentado por Mijal Carrasco
Gamarra en 1985, para optar al Ttulo Profesional de Ingeniero
Electricista de la FIEEMM de la UNSAAC, quien utiliz el
programa informtico EMPT (Electromagnetic Transients
Program), para calcular las sobretensiones tanto de maniobra
como temporales. Las simulaciones digitales se realizaron en el
centro de cmputo de la empresa ELECTROPER S.A.(Lima)
Anlisis de Transitorio Electromagntico de la lnea 22.9 KV
Quencoro - Paruro; presentado por Vicher Luna Quispe y
Rolando Ovalle Quispe en 2007; trabajo de investigacin para
optar al Ttulo Profesional de Ingeniero Electricista de la
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FIEEMM de la UNSAAC, que propone la fuente de doble rampa
o triangular para representar el fenmeno rayo, y se utiliza el
Modelo ATP propuesto por el Dr. Juan Martnez Velazco de laUniversidad de Catalua Espaa para el clculo del nmero de
salidas en sistemas elctricos en media tensin.
Estudio de Coordinacin de Aislamiento de la Lnea de
Transmisin San Gabn Mazuco - Puerto Maldonado; trabajo
de investigacin presentado por Csar Becerra Pea y Roberto
Horqque Latorre en 2008, para optar al Ttulo Profesional de
Ingeniero Electricista de la FIEEMM de la UNSAAC, en el cual
se desarroll mdulos de programacin en ATP y lenguaje
Fortran para simular los arcos elctricos en aisladores debido a
las descargas retroactivas por influencia del rayo y elevados
niveles isoceranicos superiores a los 80 das de tormenta al
ao en zonas de Selva.
1.9.2. BASES TEORICAS
Para el desarrollo del presente estudio es necesario revisar los siguientes
conceptos, que sern ampliados en el captulo II y capitulo III:
Clasificacin de sobretensiones.
Niveles de Aislamiento Normalizados IEC.
Teora de ondas viajeras.
Proceso de descarga del rayo.3
Parmetros rayo.
Elementos de proteccin contra los rayos.
Desempeo de las lneas de transmisin frente al impulso
atmosfrico.
Modelamiento de componentes elctricos en ATP.
Metodologa de clculo de tasa de salidas por fallas de aislamiento.
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1.10. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION.
1.10.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION.
Siendo la propuesta correspondiente a una investigacin bsica esta se
enmarca de la siguiente manera:
Tipo de investigacin : Aplicativo.
Mtodo : Descriptivoevaluativo.
Diseo : Experimental
El mismo que se caracteriza por describir los fenmenos en forma generalsin atender a explicaciones particulares. Para alcanzar los objetivos, la
investigacin tendr un nivel descriptivo, por estar orientado a determinar la
relacin entre los parmetros del rayo y la respuesta de aislamiento de las
lneas de transmisin.
1.10.2. POBLACION Y MUESTRA.
1.10.2.1. POBLACION.
La Empresa Electro Sur Este S.A.A. (ELSE), es una empresa dedicada a la
Distribucin de Energa Elctrica que se encuentra ubicada en el Sur Este
del Per, teniendo un rea de influencia en las regiones de Cusco,
Apurmac, Madre de Dios y la provincia de Sucre de la regin Ayacucho
respectivamente.
1.10.2.2. MUESTRA.
Lnea de alta tensin 6002 MachupicchuQuillabamba en 60 KV; se tomar
en cuenta para el presente estudio los datos y reportes histricos sobre las
causas ms frecuentes de interrupcin en el periodo actual de operacin:
01/01/201331/12/2013.
Estadsticas Nacionales de supervisin de OSINERGMIN, Performance de
Lneas de Transmisin hasta 220kv, considerando los aos 2005 al 2013.
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1.10.3. TECNICAS E INSTRUMENTOS DE INVESTIGACION.
Para la obtencin de la informacin necesaria se adopta la tcnica de observacin
cientfica y de anlisis de contenido.
La tcnica de observacin se realiza de forma sistemtica, tal es que:
Primero se ha obtenido la informacin de la base de datos de laempresa propietaria de la lnea.
Para la verificacin y actualizacin de datos se ha realizado untrabajo contrastacin en base a reportes publicados por el COES.
1.10.4. FUENTES DE INFORMACION Y RECOLECCION DE DATOS.
Las fuentes de datos fueron proporcionadas por la empresa Electro Sur Este
S.A.A, entre ellas: Geometra de la lnea, tipos de Estructuras, Niveles de
Tensin, Nmero de Aisladores y reportes del sistema SCADA.
Estadsticas de supervisin Osinergmin, supervisin de los sistemas
de transmisin. Con fecha al 31/diciembre del 2013
1.10.5. PROCESAMIENTO Y PRESENTACION DE LA INFORMACION.
El clculo de las sobretensiones en rgimen transitorio se obtendr
mediante simulaciones digitales, utilizando el programa informtico para
anlisis de fenmenos transitorios ATP Alternative Transients Program
versin 5.6
Se utilizaran tcnicas tales como: normativa especializada, consultasbibliogrficas, datos de equipos, datos experimentales, mtodos empricos,
investigacin documental de eventos y normatividad aplicable a nuestro
pas.
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CAPITULO II
2. MARCO TEORICO Y NORMATIVO
2.1. ASPECTO NORMATIVO.
En este captulo se describen las bases para la seleccin de los niveles de
aislamiento de las lneas de alta tensin y subestaciones de acuerdo a las
referencias tcnicas internacionales reconocidas como son la IEEE/ANSI e
IEC que son las ms importantes y sus recomendaciones se consideran
estndar a nivel mundial.
As tambin se describen la normativa peruana en referencia al organismo
supervisor de las inversiones en energa del estado.
2.1.1. Normativa ANSI/IEEE.
Son dos referencias Bsicas que se consideran en el proceso de
coordinacin de aislamiento de acuerdo a la Normativa IEEE, las cuales se
resumen a continuacin:
IEEE std 1313.1-1996, IEEE Standard for insulation, definitions,
principles and Rules, la norma presenta el procedimiento para la
seleccin de las tensiones de soportabilidad para el
equipamiento y define la lista de Niveles de Aislamiento
estndares.
IEEE Std 1313.2-1996, IEEE guide for the application of
insulation coordination, la norma muestra el procedimiento de
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clculo del aislamiento, establece criterios y describe las
sobretensiones tpicas que se encuentran en las instalaciones.
IEEE Std C62.22-1997 Guide for the Application of Metal-OxideSurge Arresters for Alternating-Current Systems, Muestra el
procedimiento de aplicacin de Descargadores de Oxido
metlico en sistemas de corriente alterna.
2.1.2. Normativa IEC.
La normativa IEC es actualmente la ms difundida, son dos normas las que
definen el procedimiento de coordinacin de aislamiento, adicionalmente seconsideran recomendaciones referentes a los equipos de alta tensin,
seleccin de descargadores.
IEC Std 60071-1 Definitions, principles and rules, establecida
por la IEC para la coordinacin del aislamiento en instalaciones
de corriente alterna en alta y extra alta tensin.
IEC Std 60071-1 Application guide, gua de aplicacin para lacoordinacin de aislamiento en instalaciones de Alta y Extra alta
tensin.
IEC 60694 RTGF Common specifications for high-voltage
switchgear and controlgear standards, Clusulas comunes para
equipos de Alta Tensin.
IEC Std 60099-4 Metal-Oxide surge arrester without gaps for
a.c. systems, Norma Internacional para especificar y ensayar
pararrayos de xido metlico sin explosores.
2.1.3. Normativa peruana de supervisin de los sistemas de
transmisin.
La supervisin y fiscalizacin de las instalaciones de transmisin son
efectuadas por OSINERGMIN, cuyas atribuciones y acciones para el
desarrollo de estas funciones estn normados por:
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Decreto Supremo N 020-97-EM, Norma Tcnica de Calidad de los
servicios.
Resolucin N 091-2006-OS/CD, Procedimiento para Supervisin yfiscalizacin del performance de los sistemas de transmisin.
Decreto Ley N 25844 - Ley de Concesiones Elctricas y sus
modificaciones.
Reglamento de Supervisin de las Actividades Energticas y
Mineras de OSINERGMIN, aprobado por Resolucin de Consejo
Directivo N 324- 2007- OS/ CD.
Cdigo Nacional de Electricidad- Suministro 2001, aprobado conResolucin Ministerial N 366-2001-EM/VME.
La supervisin de los sistemas de transmisin, se efecta segn lo
dispuesto por Resolucin N 091- 2006-OS/CD y su modificacin efectuada
por Resolucin N 656-2008-OS/CD, que establece que los indicadores se
calculan en funcin a las desconexiones de las lneas de transmisin y
transformadores, que ocasionen interrupciones de suministro elctrico
mayores de 3 minutos.
2.2. DEFINICIONES BASICAS Y GENERALIDADES.
Los siguientes son los trminos y definiciones ms utilizadas en este
captulo:
Coordinacin de aislamiento: Es la seleccin de la rigidez dielctrica de
un equipo en relacin con las tensiones que pueden aparecer en el sistemaen el cual el equipo operar tomando en cuenta las condiciones de servicio
y las caractersticas de los equipos de proteccin contra sobretensiones
disponibles.
Aislamiento Elctrico: adopcin de la fuerza de sostenimiento de un
aislante, con criterio probalstico de cumplimiento dentro de un margen de
confianza.
Aislamiento Externo: Son las distancias en el aire y las superficies encontacto con el aire del aislamiento slido de los equipos, que estn sujetos
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a los esfuerzos dielctricos y a los efectos atmosfricos y otras condiciones
externas, tales como contaminacin, humedad, etc.
Aislamiento Interno: Son las partes internas slidas, liquidas o gaseosasdel aislamiento del equipo, las cuales estn protegidas de los efectos
atmosfricos y otras condiciones externas.
Aislamiento auto-regenerativo: El aislamiento que recobra completamente
sus propiedades de aislamiento despus de una descarga disruptiva.
Aislamiento no auto-regenerativo: El aislamiento que pierde sus
propiedades de aislamiento, o no las recobra completamente, despus de
una descarga disruptiva.Tensin Nominal de una Red: Valor aproximado adecuado de la tensin
utilizada para designar o identificar una red.
Tensin ms Elevada de una Red: Valor mximo de tensin que se
presenta en un instante y en un punto cualquiera de la red en condiciones
de funcionamiento normales.
Tensin ms Elevada para el Material (Um): Valor eficaz mximo de la
tensin entre fases para el cual est especificado el material en relacin a
su aislamiento as como a algunas otras caractersticas que estn
provisionalmente conectadas a esta tensin en las normas propuestas para
cada material.
Tensin Permanente (a frecuencia industrial): Tensin a la frecuencia de
la red, considerada como que tiene un valor eficaz constante, aplicada
permanentemente a cualquier par de bornes de una configuracin de
aislamiento.
Sobretensin temporal: Sobretensin a frecuencia industrial de duracin
relativamente larga.
Sobretensin transitoria: Sobretensin de corta duracin, que no
sobrepasa de unos milisegundos, oscilatoria o no, generalmente
fuertemente amortiguada.
Sobretensiones de frente lento : Sobretensin transitoria, generalmente
unidireccional, de duracin Tp hasta el valor de cresta tal que
20Tp5,000s; y de duracin de cola T220ms.
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Sobretensiones de frente rpido: Sobretensin transitoria, generalmente
unidireccional, de duracin T1 hasta el valor de cresta tal que
0,1sT20s y de duracin de cola T2300s.Sobretensiones de frente muy rpido: Sobretensin transitoria,
generalmente unidireccional, de duracin T1 hasta el valor de cresta tal que
T0.1s y de duracin total 300ms y con oscilaciones superpuestas de
frecuencia 30 KHzf 100 MHz.
Tensin Normalizada de impulso tipo rayo : Una tensin de impulso que
tenga un tiempo de frente de 1,2s y un tiempo hasta la mitad del valor de
50s.
2.3. DEFINICIONES DE COORDINACION DE AISLAMIENTO.
2.3.1. FINALIDAD.
La coordinacin de aislamiento tiene como finalidad la determinacin de los
niveles de aislamiento necesarios en los equipos de una instalacin
elctrica, de manera que estos puedan soportar las exigencias dielctricas a
las que sern sometidos, tanto en servicio normal como en presencia de las
sobretensiones que puedan originarse en la red.
2.3.2. ANTECEDENES
Antes de 1920 el dimensionamiento de los aislamientos se realizaba de una
forma puramente emprica, exigiendo a los materiales que soportaran una
tensin a frecuencia industrial de un valor igual al producto de la tensin deservicio por un cierto coeficiente de seguridad elegido segn la experiencia
en instalaciones anteriores.
La aparicin de redes con tensin nominal superior a 100 KV exigi
una mayor racionalizacin del problema, por lo que introdujeron los ensayos
de impulso, al comprobarse que los aislamientos no podan clasificarse
nicamente por su capacidad para soportar las exigencias a frecuencia
industrial, es en se momento que se origina el trmino Coordinacin de
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Aislamiento, que en la actualidad se refiere al dimensionamiento de los
aislamientos de acuerdo con los materiales empleados, las caractersticas
de las exigencias dielctricas y los elementos de proteccin utilizados contralas sobretensiones.
En la actualidad se disponen de medios tcnicos ms sofisticados
cuyo empleo permite una mejor determinacin de las sobretensiones que
pueden aparecer en las instalaciones, e incluso, para algunos tipos de
sobretensiones, su valoracin estadstica. Estos pasos se realizan
generalmente mediante computador digital y empleando herramientas de
clculo especializadas.
2.3.3. PROCEDIMIENTOS DE COORDINACION DE AISLAMIENTO
El nivel de aislamiento de un componente o un conjunto de componentes
debe ser seleccionado de forma que cumpla un criterio de comportamiento
expresado generalmente en tasa de fallos por ao. A partir de ese criterio y
del clculo de sobretensiones ser posible determinar la tensin soportada
de aislamiento. Bsicamente se pueden diferenciar dos tipos deprocedimiento:
a. Estadstico:El clculo repetitivo de sobretensiones cambiando
las condiciones de operacin en cada simulacin, segn una
determinada ley de variacin para todos o algunos parmetros y
variables que interviene en el proceso, permitir evaluar la
distribucin de probabilidad de las sobretensiones: La
aplicacin de este tipo de procedimiento posibilita el clculo dela frecuencia de fallos en funcin de los factores de diseo
seleccionados y una optimizacin de nivel de aislamiento.
b. Determinstico:Este tipo es aplicado cuando no se dispone de
la informacin necesaria para un procedimiento estadstico, lo
cual no permite el clculo de la tasa de fallos del equipo en
servicio. En la prctica es muy comn el empleo de un mtodo
simplificado en el que se desprecia la variacin estadstica dealgunos primeros o variables.
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El clculo estadstico de sobretensiones es fundamental para evaluar
con rigor la tasa de fallos de los equipos. Las prestaciones que un programa
de clculo numrico requiere para poder realizar este tipo de procedimientosson bsicamente tres:
Una opcin que permita repetir la simulacin del proceso
transitorio que origina la sobretensin tantas veces como sea
necesario.
Una opcin que permita cambiar en cada simulacin todos los
parmetros que sean necesarios, de acuerdo con una ley de
variacin estadstica.
Una opcin que permita determinar la funcin de densidad de
probabilidad de sobretensiones, de acuerdo con los resultados
obtenidos en las simulaciones.
2.4. SOBRETENSIONES
2.4.1. DEFINICION
Una sobretensin es una perturbacin variable en el tiempo cuyo mximo valor es
superior al valor pico de la tensin nominal del sistema en estudio. El clculo de
este fenmeno es de vital importancia en el diseo de sistemas elctricos de
energa, ya que son estas las exigencias que sirven para seleccionar el nivel de
aislamiento y las protecciones de los equipos. En la actualidad el clculo de las
perturbaciones se realiza generalmente con un computador. Existen varias
razones que justifican la simulacin digital entre ellas: el tamao de la red a
simular, la complejidad de los modelos matemticos que se han de emplear y el
ahorro en tiempo que puede suponer un clculo preciso y riguroso.
2.4.2. CLASIFICACIN Y CARACTERSTICAS DE LAS
SOBRETENSIONES
La norma IEC 60071-1 clasifica los esfuerzos a los cuales sern sometidos los
equipos por parmetros apropiados tales como la duracin de las tensiones a
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frecuencia industrial o la forma de onda de una sobretensin, en funcin de su
efecto sobre el aislamiento o sobre el equipo de proteccin.
Estos esfuerzos se pueden distinguir en las siguientes categoras:
a. Tensiones Permanentes a Frecuencia Industrial:Originadas por
la operacin del sistema en condiciones normales.
b. Sobretensiones Temporales: Son de larga duracin (varios
milisegundos a varios segundos), poco amortiguadas y de frecuencia
igual o prxima a la frecuencia de operacin.
c. Sobretensiones de Frente Lento: Son de corta duracin (pocosmilisegundos), fuertemente amortiguadas y se presentan con una
gama de frecuencias que vara entre 2 y 20 MHz.
d. Sobretensiones de Frente Rpido: Se originan por descargas
atmosfricas directas sobre los conductores de fase o por descargas
retroactivas. Su rango de frecuencia vara de 10 KHz - 3 MHz.
e. Sobretensiones de Frente muy Rpido:Dependiendo del origen
pueden ser oscilatorias o unidireccionales, su duracin es de pocosmicrosegundos y su frecuencia es generalmente varia de 100 KHz a
50 MHz.
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Tabla N 2. 1 Clasificacin de sobretensiones
Tabla2.1
Formasde
ondadesobretensionesnormalizadassegnIEC-6007
1-1
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2.5. NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADO
Las tensiones normalizadas de soportabilidad estn asociadas con la tensin
mxima para equipos de acuerdo con la tabla N 2.2
A continuacin se describen los niveles de aislamiento normalizados para
IEC, de acuerdo con la clasificacin por el nivel de tensin asignado y con las
siguientes clasificaciones para aislamiento fase-fase y aislamiento longitudinal:
Para sistemas con tensiones comparativamente bajas ha sido posible
normalizar nicamente unos pocos niveles de aislamiento, en algunos casos slo
un valor para cada sistema de tensin, debido a que estos sistemas estn bien
establecidos y que se dispone de una gran cantidad de experiencias en el
comportamiento del sistema y el costo del aislamiento es comparativamente bajo
Para sistemas de tensiones ms altas se ha incluido un gran nmero de
niveles de aislamiento para un diseo econmico, parcialmente debido a que
estas tensiones son aplicadas tanto a sistemas grandes y bien establecidos como
a sistemas pequeos y recientemente constituidas. El costo de aislamiento es
tambin un factor importante.
2.5.1. Aislamiento fase-fase rango I.
Las tensiones fase-fase de soportabilidad a frecuencia industrial de corta duracin
e impulso atmosfrico son iguales a las tensiones de soportabilidad fase-tierra
respectivas (Tabla N 2.2).
Los valores en parntesis, sin embargo, pueden ser insuficientes para
probar que las tensiones de soportabilidad requeridas se cumplen y podra ser
necesario realizar pruebas de soportabilidad fase-fase adicionales.
2.5.2. Aislamiento fase-fase rango II.
La tensin de soportabilidad normalizada al impulso atmosfrico es igual al
impulso atmosfrico fase-tierra.
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Tabla N 2. 2 Niveles de Aislamiento Rango I, IEC. (1KV
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2.6. ONDAS DE SOBRETENSION Y SU PROPAGACION
Las ondas de sobretensin que se propagan por las lneas de transmisin y
distribucin son originadas por descargas atmosfricas o maniobras de conexiny desconexin de equipos. Estas sobretensiones pueden ser de corta duracin
con respecto a las longitudes elctricas de las lneas por las que viajan, por lo que
es necesario tomar en cuenta el tiempo de propagacin de las ondas. Las lneas
de transmisin tienen caractersticas distribuidas de resistencia, inductancia y
capacitancia, tal como los de la Figura N 2.1
Una onda de sobretensin debida a alguna descarga atmosfrica o
maniobra aplicada en un extremo del circuito cargar al primer capacitorrpidamente sin embargo, la presencia de la primera inductancia del circuito
impedir que el segundo capacitor se cargue de manera simultnea con la
primera inductancia, continuando con el fenmeno a los largo de la lnea.
Una onda de corriente acompaada siempre de onda de sobretensin
viajar de la misma forma y se relaciona por medio de una impedancia conocida
como Impedancia Caracterstica como sigue:
(2.1)
Las ondas se propagan con una velocidad igual a:
(2.2)
Figura N 2. 1 Lnea con parmetros distribuidos
2.6.1. PROPAGACIN Y REFLEXIN DE ONDAS
La relacin entre ondas de tensin y de corriente es la impedancia caracterstica
de la lnea, siendo esta relacin positiva para las ondas que se desplazan en un
sentido, y negativa para las ondas que se desplazan en sentido contrario (ver
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Figura N 2.2). La existencia de ondas que se propagan en ambos sentidos es
debida a los puntos de discontinuidad que puede haber en una lnea. El principio
fsico de este fenmeno puede resumirse de la siguiente forma:
a. Cuando una lnea es energizada se inicia la propagacin de una
onda de tensin y de una onda de corriente, estando ambas
relacionadas por la impedancia caracterstica.
b. La propagacin de ambas ondas se realiza sin distorsin ni
atenuacin, y solo sufrir un cambio cuando se encuentre una
discontinuidad en el medio de propagacin.
c. Cuando una onda de tensin, o de corriente, se encuentra con un
medio de caractersticas distintas a las del medio inicial de
propagacin, se origina una nueva onda, conocida como onda
reflejada, que se superpone a la onda incidente.
v
-
+
Sentido de Propagacin
v
-
+
Sentido de Propagacin
vd
id
V =Z .d c di
vi
iiVi=-Z .c ii
Figura N 2. 2 Relacin entre ondas de tensin y de corriente.
Un cambio en el medio de propagacin puede producirse en muchas
situaciones, tales como: cambio de valor de la impedancia caracterstica del
medio (punto de transicin), terminacin de la lnea, y punto de bifurcacin. El
clculo de las ondas que se originan como consecuencia de una discontinuidad
se realizar con los siguientes casos.
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2.6.2. NODO DE TRANSICIN.
En la Figura N 2.3 se ilustra un nodo de transicin, el cual conecta dos lneas
con distinta impedancia caracterstica . Por la lnea 1 se propaga una
onda viajera hacia la lnea 2.
Zc1
vd , id
Zc2
Figura N 2. 3 Reflexin y refraccin en un nodo de transicin (interconexin de uncable con una lnea de transmisin).
Cuando la onda incidente alcanza el punto de transicin, tiene lugar
un cambio en el medio de propagacin, y se origina una onda reflejada ,
que se propagar por la lnea 1 en sentido contrario al de la onda incidente, y una
onda refractada , que se propagar por la lnea 2. La relacin entre ondas
de tensin y de corriente se puede anotar de la siguiente forma:
Teniendo en cuenta que
Se deduce
Siendo
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Donde es el coeficiente de reflexin y el coeficiente de refraccin o
transmisin en el punto de discontinuidad.Por lo que respecta a la intensidad de corriente, se obtiene:
Conviene tener en cuenta que en este caso la onda incidente tambin podra
propagarse originalmente por la lnea 2 hacia la lnea 1. En ese caso la expresin
del coeficiente de reflexin seria la opuesta de la anterior, es decir:
Se puede observar que el clculo de los coeficientes de reflexin sigue una ley
muy simple. Cuando una onda incidente alcanza un punto de discontinuidad, el
coeficiente de reflexin se obtiene a partir de la relacin entre la diferencia y la
suma de impedancias equivalentes, colocando en primer lugar en ambas
expresiones la impedancia equivalente de la red en la que incide la onda viajera,vista desde el punto de discontinuidad.
2.6.3. TERMINACIN DE LNEA.
La Figura 2.4 muestra el caso que se puede analizar. Se tiene una lnea ideal por
la que se propaga una onda incidente, que alcanza el extremo en el que se ha
instalado una resistencia.
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Rf
vd ,
vf
-
+
idIf
.
.
Figura N 2. 4 Terminacin de lnea.
En final de lnea se tienen las siguientes relaciones entre las ondas de
tensin y de corriente:
Donde los subndices se usan para designar ondas incidentes, reflejadas y
en final de lnea, respectivamente.
Por otra parte, las ondas de tensin y de corriente estn relacionadas segn las
siguientes expresiones:
Que sustituidas en las anteriores expresiones permiten obtener:
Siendo
El coeficiente de reflexin de ondas en final de lnea.
Las ondas de tensin y corriente en final de lnea son el resultado de sumar las
ondas incidentes y reflejadas. Si se tiene en cuenta la relacin entre ambas
resulta:
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2.6.4. PUNTO DE BIFURCACIN.
El anlisis del caso de la Figura N 2.5 es similar al de los casos anteriores. Los
coeficientes de reflexin y de transmisin se obtienen a partir de: la impedancia
equivalente que ve la onda incidente cuando alcanza un punto de discontinuidad,
y de la impedancia caracterstica del medio en el que se propaga6.
Los coeficientes de reflexin y de transmisin para una onda que se propaga por
la lnea 2 cuando alcanza el punto de discontinuidad, sern:
Zc1
Zc2
Zc3
.
.
Figura N 2. 5 Punto de bifurcacin
Coeficiente de reflexin.
(2.14)
Coeficiente de transmisin.
Siendo la impedancia equivalente que resulta del paralelo entre .
Entonces, la onda de tensin que se refleja en la lnea 2 y que se propaga en
sentido opuesto a la onda incidente, y las ondas de tensin transmitidas a las
lneas 1 y 3, vienen relacionadas con la onda de tensin incidente segn las
siguientes relaciones:
6Gmez, E.M.: Anlisis y Operacin de Sistemas de Energa Elctrica, McGraw-Hill, 1ra edicin, pp. 401-404
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De todos los posibles coeficientes de reflexin interesan algunos casos
particulares, como los tres que se presentan a continuacin.
2.6.5. LNEA EN VACIO
La onda incidente que alcanza un terminal de lnea en circuito abierto o en vaco
se encuentra con una impedancia de valor infinito, por lo que de la formula
general (2.8) se obtiene:
En consecuencia, con una lnea en vaco se obtiene:
De donde se deduce:
Segn estos resultados, cuando una onda alcanza un terminal de lnea en
circuito abierto, la onda de tensin incidente se dobla, lo que puede originarsobretensiones importantes, mientras que la onda de corriente se anula, como era
lgico de esperar.
2.6.6. LNEA EN CORTOCIRCUITO.
La onda incidente que alcanza un terminal de lnea en cortocircuito se encuentra
con una impedancia de valor nulo, por lo que, de la formula general (2.8) se tiene:
Con una lnea en cortocircuito resulta por lo tanto:
De donde se deduce:
Segn estos resultados, cuando una onda alcanza un terminal de lnea encortocircuito la onda de corriente incidente se dobla, lo que puede originar
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sobrecorrientes importantes, mientras que la onda de tensin se anula, como era
lgico de esperar.
2.7. SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFERICAS.
Las tormentas elctricas ocurren siempre que hay una separacin de carga
elctrica en gran escala en la atmosfera.
La descarga atmosfrica (rayo) es un destello de luminoso en el cielo que
proviene de una nube tipo cumulolimbus durante una tormenta. El fenmeno se
debe a la cantidad de carga elctrica de diferente polaridad almacenada en
diferentes partes de dicha nube. Ver figura N 2.6
Figura N 2. 6 Nube Cumulolimbus
Estas nubes son un cmulo extremadamente denso que se desarrolla de
forma vertical y con un extremo superior en forma de glacial. Se extiende por
ms de 40 Km y as se forman tormentas.
2.7.1. FORMACION DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS.
Cuando las partculas de agua empiezan a interactuar por los efectos del viento
en una nube cumulolimbus estas empiezan a colisionar, se fracturan se separan
baja la influencia de corrientes ascendentes y la fuerza de la gravedad provoca
que se acumulen en la parte inferior de la nube granizo y copos de nieve
cargados elctricamente, y as las partculas ms ligeras de cristales de hielo y
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gotas de agua sper congeladas cargadas positivamente se acumulan en la parte
superior de la nube; esta separacin de carga produce un campo elctrico dentro
de la nube y en las regiones de la nube con carga de polaridad opuesta.Una vez que el campo elctrico alcanza una rigidez dielctrica crtica ocurre una
descarga formndose un canal lder que es un canal sper caliente por el cual
viajan electrones de la nube a tierra, este canal lder comienza en la base de la
nube, cambia su direccin en intervalos; conforme el canal lder se acerca a tierra
se empieza a formar un canal lder positivo, este lder es originado desde tierra a
la nube y viaja hasta encontrarse con el canal lder negativo proveniente de la
nube (Figura N 2.7).El lder negativo y el lder positivo se conectan, en ese momento electrones de
carga negativa fluyen de la nube a tierra (carga positiva), esta descarga es
conocida como descarga o rayo de retorno.
La cantidad de carga negativa disponible en la nube determina la cantidad de
carga positiva de la carga de regreso.
El efecto luminoso se percibe en ese instante ya que se propaga a la velocidad de
la luz (Vluz = 300 x 106 m/s).
Figura N 2. 7 Canal lder negativo y positivo
El efecto sonoro es percibido posteriormente, despus del tiempo de propagacin
de la onda sonora hasta el observador, que se procesa a una velocidad mucho
menor (Vsonido= 343 m/s) y se puede escuchar a distancias usualmente limitadas,
del orden de 10 Km.
El canal de la gua experimenta temperaturas altas debido a la neutralizacin ya
antes descrita. Los canales tienen un radio de unos cuantos centmetros y es
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ionizado trmicamente y es lo ya antes explicado el efecto luminoso que uno
identifica como rayo.
En general se han identificado cuatro tipos de rayo entre nube y tierra. Lasdescargas negativas forman el 90% de las descargas que caen a tierra a lo largo
de todo el planeta (categora 1); menos del 10% de descargas son positivas
(categora 3). Tambin existen descargas iniciadas desde tierra hasta la nube
(categora 2 y 4), sin embargo, estas descargas son relativamente raras y ocurren
normalmente en zonas de gran altitud, desde los picos de las montaas o desde
altas estructuras construidas por el hombre.
En la Figura 2.8 se puede ver las diferencias entre las cuatro categorascomentadas.
Figura N 2. 8 Clasificacin de las descargas nube-suelo por su polaridad.
2.7.2. PARMETROS DEL RAYO.
El conocimiento de los parmetros del rayo, en sus diferentes escalas, tiene
importancia tanto cientfica como tecnolgica.
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El conocimiento cientfico nos facilita entender su comportamiento en el tiempo -
espacio, y sus relaciones con otros fenmenos naturales. En lo tecnolgico,
permite el diseo y seleccin adecuada de los equipos de proteccin, paragarantizar una operacin confiable, econmica y segura.
Para modelar los parmetros del rayo y aplicarlos en los diseos de proteccin,
es necesario dividir las caractersticas del rayo en tres grupos fundamentales:
1. Parmetros de incidencia.
2. Amplitud mxima de corriente del rayo.
3. Forma de onda de corriente del rayo.
2.7.2.1. PARMETROS DE INCIDENCIA DEL RAYO
Los parmetros de incidencia del rayo son: el Nivel Isoceranico y la Densidad de
Descargas a Tierra.
NIVEL ISOCERANICO (Td): Cuando se disean lneas de transmisin de
energa elctrica, es conveniente saber hasta que punto estas se encontraran
expuestas a los daos de las descargas atmosfricas, en particular, si las lneas
denotan tensiones nominales de operacin inferiores a 300 kV. Para tal efecto se
utiliza el concepto de nivel Isoceranico, el cual indica el nmero de das al ao
en que se pueden or truenos. Su principal deficiencia es que no discrimina entre
las descargas entre nube y tierra o entre nube y nube, adems de que el uso de
ecuaciones empricas lo convierten en un mtodo de relativa exactitud. El nivel
Isoceranico fue el primer indicador establecido y es ampliamente utilizado aun;
es un indicador que acostumbra a darse para un pas segn el Mapa de losNiveles Isoceranicos (Figuras N 2.9 y 2.10)
DENSIDAD DE DESCARGAS (Ng): La densidad de descargas o rayos de una
regin, representa la cantidad de descargas nube-tierra que impactan en un rea
de un (1) km2en un (1) ao. Existen tres formas para determinar este indicador:
el uso de contadores, por medio de datos obtenidos a travs de registros
realizados por satlite y el uso de ecuaciones empricas que lo relacionan con el
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nivel Isoceranico (Td). Este ltimo mtodo es el menos exacto, pero es utilizado
mundialmente en zonas donde no existen otras alternativas.
Una de las ecuaciones ms utilizadas para determinar la densidad de rayos atierra fue propuesta por Anderson y Eriksson, en 1980, que se muestra a
continuacin, ya que los resultados obtenidos estn avalados por un periodo de
observacin de seis aos.
7
7Segn el Consejo de Grandes Redes Electricas CIGRE
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Figura N 2. 9 Mapa de niveles isoceraunicos del Per 8
8Yanque, M,J.: Alta Tensin y Tcnicas de Pruebas en Laboratorio. Per, UNI versin 2004, cap. II, pp. 7
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Figura N 2. 10 Mapa de niveles Isoceraunicos Regin Cusco 9
AMPLITUD MXIMA DE CORRIENTE DEL RAYO: Uno de los parmetros ms
representativos del rayo, es la magnitud de corriente pico de descarga. Anderson(1987) define que la magnitud media de una descarga es de 31 kA y que la
probabilidad de que cierta magnitud de corriente sea excedida en una descarga,
est definida por la siguiente ecuacin:
Dnde:
: Magnitud de corriente pico de una descarga atmosfrica, kA.
: Probabilidad de que la corriente pico de una descarga atmosfrica sea
excedida.
FORMA DE ONDA DE CORRIENTE DEL RAYO: El rayo representa una fuente
de corriente de alta frecuencia, la descarga principal puede ser seguida de otra(s)
secundaria(s). Una onda de impulso de este tipo se emplea con propsitos de
9Yanque, M,J.: Alta Tensin y Tcnicas de Pruebas en Laboratorio. Per, UNI versin 2004, cap. II, pp. 8
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tf
tc
s
I
Onda
IEC 1.2/50 s
prueba cuando es necesario investigar el comportamiento de una instalacin o
equipo bajo estas condiciones. El impulso completo tiene un tiempo frontal de 1.2
s y tiempo de valor medio de 50 s (ver Figura 2.11)
Figura N 2. 11 Forma de onda del rayo
2.8. APANTALLAMIENTO EN LINEAS DE TRANSMISION.
El uso de apantallamiento para los sistemas elctricos de potencia es de gran
importancia ya que mediante el blindaje se busca reducir de manera significativa
los daos causados por descargas elctricas; este tipo de proteccin nos ayuda a
contemplar aspectos constructivos los cuales estn dentro de una normativa y as
obtener una lnea segura y flexible.
La instalacin de blindaje en una lnea de transmisin se logra por medio de hilos
guarda que son conductores desnudos, generalmente de acero, que protegen de
las descargas atmosfricas directas, estos conductores se conectan a la red de
puesta a tierra.Figura N 2.12
El comportamiento de las lneas de transmisin ante el efecto de las descargas
atmosfricas puede determinar lo que se conocer como Flameo Inverso
(Backflashover) Ver Figura N 2.13
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2.8.1. DESCARGA A LOS CABLES DE GUARDA
La funcin de los cables de guarda en las lneas de transmisin es proporcionar
un blindaje o proteccin contra descargas directas, es decir, un blindaje bien
diseado evita las descargas a los conductores de fase como se habl con
anterioridad. La efectiva posicin relativa de los conductores de guarda con
respecto a los conductores de fase se verifica por el llamado ngulo de blindaje.
En general se puede establecer que las lneas con dos cables de guarda
proporcionan un blindaje ms efectivo que aquellos con un cuentan con uno.
Figura N 2. 12 Apantallamiento con un solo cable de guarda
Figura N 2. 13 Flameo Inverso en una torre con dos cables de guarda
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Aun con un buen blindaje las ondas de corriente que inciden en los cables
de guarda o en las torres son conducidas a tierra a travs de las mismas. De
manera que se espera que el terreno y los elementos de conexin a tierra de latorre, en forma combinada den un valor conocido como resistencia de pie de
torre, que sea lo suficientemente bajo como para evitar el fenmeno de reflexin
de ondas en forma importante.
2.8.2. DESCARGAS DIRECTAS A LA TORRE DE TRANSMISION
La torre en estado estable se mantiene al potencial de tierra; sin embargo eleva
su potencia en forma inmediata cuando es alcanzada por una descarga
atmosfrica, este potencial que aparece en la torre est dado como:
(2.25)
Dnde:
= Voltaje en la punta de la torre
= Corriente del rayo
= Impedancia caracterstica de la torre
La onda de voltaje en la punta de la torre V tse desplaza hacia abajo en la torre
hasta que alcanza el punto de transicin entre la torre y la tierra circundante que
est representada por el valor de la resistencia de pie de torre Rt. El voltaje se
refleja en este punto de transicin y viaja de regreso hacia la punta de la torre,
inicindose un proceso de reflexiones sucesivas.
Si el valor de la sobretensin sobrepasa el nivel de proteccin de los aisladores
entonces un arco se establecer siguiendo el contorno del mismo (flameo del
aislador), lo cual generalmente causa la falla fase tierra y la inmediata
desconexin de la fase en falla.
2.8.3. DESCARGA EN MEDIO VANO.
De acuerdo a la teora de ondas viajeras al incidir una descarga atmosfrica enmedio de los conductores de fase o cable de guarda, la corriente del rayo se
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divide en dos a partir de su punto de impacto, de manera que el valor es ahora I/2
desplazndose en forma unidireccional y produciendo una sobretensin que
depende de la impedancia caracterstica de los conductores. Ver Figura N 2.14
La tensin que se induce en los conductores de fase, por una descarga
atmosfrica es la siguiente:
(2.26)
Dnde:
= Impedancia caracterstica de los conductores
= Corriente de rayo
Figura N 2. 14 Conduccin de una onda por descarga atmosfrica a medio vano delcable de guarda
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CAPITULO III
3. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION Y
SUBESTACIONES.
3.1. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION.
3.1.1. INTRODUCCION AL APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE
TRASMISION.
Las lneas areas de transmisin de energa elctrica estn expuestas a las
descargas atmosfricas (cada de rayos), siendo ste uno de los motivos ms
habituales de fallo de aislamiento. En caso de que un rayo impacte sobre unalnea area, se origina una elevada sobretensin que puede producir el cebado de
los aisladores si se supera su nivel de aislamiento. En tal caso la sobreintensidad
de descarga a tierra a travs del apoyo, lo que indica una falla a tierra y si el
aislador permanece contorneado, una vez haya pasado la sobretensin, las
protecciones debern despejar la falta abriendo la lnea y reenganchndola
(produciendo de esta manera una interrupcin del servicio por unos pocos
segundos de duracin).
Para disminuir el nmero de interrupciones debido a las descargas
atmosfricas, es habitual la instalacin de cables de guarda (overhead ground
wire, OGW) en la parte superior de los apoyos. Con esto se pretende que las
posibles descargas atmosfricas impacten sobre un cable de guarda y se deriven
a tierra las posibles sobreintensidades.
Existe una gran variedad de formas de corriente de descarga, cada rayo
puede contener una o ms descargas. Todas ellas poseen una caracterstica
bsicamente cncava, pero no existe un modelo nico. La forma de onda de
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corriente de una descarga atmosfrica puede ser representada de una forma de
doble exponencial o mediante una onda triangular.
Considerando la forma de onda triangular, los parmetros que lascaracterizan son: el valor de pico (Ip), el tiempo de subida (Tr desde 0 hasta Ip), y
el tiempo de semicola (Ti hasta 50 por 100 IP). Cada uno de estos parmetros
debe ser estudiado a partir de una distribucin estadstica, la cual depende
fuertemente de la zona geogrfica.
La funcin de distribucin acumulativa de la corriente de pico de un rayo
puede aproximarse mediante una distribucin fraccional.As, la probabil