SELECCIÓN AISLAMIENTO PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Una línea opera la mayor parte del tiempo a unas condiciones que se denominan normales, las cuales se caracterizan por estar cerca al voltaje nominal de operación. Para que la calidad de la potencia sea adecuada, la variable voltaje debe estar alrededor del voltaje nominal y presentar unas variaciones de acuerdo a la regulación de voltaje permitida en el nivel de voltaje correspondiente. Sobre una línea de transmisión de energía se presentan eventos de tipo interno o externo ocasionando alteraciones importantes en el voltaje. El estudio de estos eventos y como impactan la línea, es lo que corresponde a un estudio del aislamiento. En una línea en etapa de diseño corresponde a la selección del aislamiento. La selección del aislamiento de una línea de transmisión depende de los esfuerzos representados en sobrevoltajes. Estos sobrevoltajes son de tres (3) tipos: A frecuencia industrial Por maniobra Por descargas atmosféricas En el diseño del aislamiento hay que considerar cuales elementos hacen parte de dicho sistema. Estos elementos son los siguientes: La cadena de aisladores. La mínima separación entre conductores y las estructuras. El apantallamiento o disposición del cable de guarda con respecto a las fases. La resistencia de la puesta a tierra de torre, incluyendo la utilización de conductores de compensación o "contrapesos". En la literatura técnica también se conoce con el nombre de “contraantenas”. 1.

SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA DE LAS CADENAS DE AISLADORES

De acuerdo a la IEC 71-1 y 71-2 la tensión de operación y las sobretensiones temporales determinan la longitud de la cadena de aisladores según el grado de contaminación de la zona. Si el factor de falla a tierra está por debajo de un valor de 1.3, que es un valor usual en sistemas multiaterrizados, la norma sugiere como suficiente el diseño de la cadena de aisladores para que soporte la máxima tensión en estado estacionario del sistema de fase a tierra. Si el factor de falla está por encima de 1.3 es necesario tener en cuenta las sobretensiones temporales para el diseño de la cadena de aisladores. Universidad Nacional de Colombia

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2 Para seleccionar las líneas de fuga de los aisladores el criterio principal a considerar es el de la contaminación. De acuerdo a la norma IEC 71-2, se debe seguir los lineamientos dados en la tabla 1. Si la contaminación es insignificante en la zona de acuerdo a la norma se debe tomar una distancia de fuga en los aisladores de 16 mm/kV (kf). Por el contrario, si la contaminación es muy fuerte la distancia de fuga se debe considerar de 31 mm/kV. Y para grados de contaminación intermedios se toman valores de distancia de fuga 20 y 25 mm/kV. La distancia total de fuga estará determinada por la expresión: D

Vmáx 3

1 kf ka

Donde: D: Distancia de fuga, mm Vmáx: Tensión máxima de servicio del sistema, kV rms Ka: Factor de corrección por altura Kf: Coeficiente de fuga, mm/kV El factor ka es igual a la densidad relativa del aire para la altura sobre el nivel del mar donde estará instalada la cadena de aisladores. La densidad relativa se puede calcular con la siguiente expresión:

δr 1.013 0.000107283 h También se puede utilizar la fórmula de Halley: δr

3.9210 Pb 273 T

Donde: Pb: Presión barométrica en mm de Hg, calculada a la respectiva altura sobre el nivel del mar. T: Temperatura ambiente en °C a la altura sobre el nivel del mar. La presión barométrica Pb se calcula con la expresión:

Pb 10

log10(76)

h 18336

Donde h es la altura sobre el nivel del mar en m. Universidad Nacional de Colombia

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3 Una vez determinada la distancia de fuga requerida (D) se puede calcular el número de aisladores.

Número de aisladores

Distancia de fuga requerida Distancia de fuga de cada aislador

Para una línea a 230 kV el número de aisladores para diferentes grados de contaminación y para diferentes alturas sobre el nivel del mar se observa en la Figura siguiente. Se ha considerado un aislador estándar de porcelana el cual tiene una distancia de fuga de 292 mm. y una tensión máxima de servicio de 245 kV. Tabla 1. Grados de Contaminación de acuerdo a Norma IEC 71-2 Insulation Coordination Application Guide Mínima distancia de fuga (kf) Grado de Contaminación

Tipos de ambiente mm/kV Áreas no industriales y de baja densidad de casas equipadas con equipos de calefacción. Áreas con baja densidad de industrias o casas pero sometidas a frecuentes vientos y/o lluvia.

I-Insignificante

16

Áreas agrícolas. Áreas montañosas. Todas las áreas anteriores deben estar situadas al menos entre 10 y 20 km del mar y no estar sometidas a vientos provenientes del mismo. Áreas con industrias poco contaminantes y/o con casas equipadas con plantas de calefacción.

II-Medio

Áreas con alta densidad de casas y/o industrias pero sujetas a frecuentes vientos y/o lluvias.

20

Áreas expuestas a vientos del mar pero no próximas a la costa. Áreas con alta densidad de industrias y suburbios de grandes ciudades con alta densidad de plantas de calefacción produciendo polución. III-Fuerte

Áreas próximas al mar o expuestas a vientos relativamente fuertes procedentes del mar.

25

Áreas sometidas a humos contaminantes que producen depósitos conductores espesos. Áreas muy próximas al mar sujetas a vientos muy fuertes. IV-Muy Fuerte

31 Áreas desiertas expuestas a vientos fuertes que contienen arena y sal.

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4 26 25 24 23 22 21

Número de aisladores

20 Grado de contaminación

19 18

KF=16

17 KF=20

16

KF=25

15 14

KF=31

13 12 11 10 9 8 7 0

250

500

750

1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000

Altura sobre el nivel del mar (m)

Figura 1. Número de aisladores vs hsnm

2.

NÚMERO DE AISLADORES REQUERIDO POR SOBRETENSIONES POR MANIOBRA

El número de aisladores para soportar las sobretensiones de maniobra se puede determinar de manera estadística considerando los diferentes eventos de manera probabilística, lo cual se puede realizar utilizando programas de simulación como el ATP, el cual permite realizar simulaciones de maniobra de tipo estadístico, para modelar el comportamiento aleatorio de la operación de los interruptores durante el cierre. El método convencional, que es de tipo determinístico, es el que se va a ilustrar en este documento. Se supone una máxima sobretensión de maniobra del sistema eléctrico donde se diseña el aislamiento. Para el nivel de 230 kV esta sobretensión es del orden de 2.5 p.u. y constituye lo que se llama el factor de sobrevoltaje (Fv).

Máxima sobretensión esperada Fv Vmax

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2 3 Leonardo Cardona Correa

5

2 3

Máxima sobretensión esperada 2.5 245

500.1 kVpico

Para determinar la tensión que debe soportar el aislamiento se considera que debe ser el 15% más sobre la máxima sobretensión esperada. Este 15% adicional se considera un factor de seguridad (Fs). Tensión de soporte

Fs Máxima sobretensión esperada

Tensión de soporte 1.15

500.1

575.1 kVpico

El aislamiento responde de manera probabilística de acuerdo a la siguiente curva acumulada de probabilidad de la Figura 2. El valor del 50% corresponde al CFO (Critical Flashover Overvoltage) del aislamiento. En la figura el CFO es unitario y la desviación estándar (σ) es del 6%, que es la correspondiente desviación sugerida para eventos de maniobra. 1.00 0.90 0.80

Probabilidad acumulada

0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10

0.00 0.76

0.82

0.88

0.94

1

1.06

1.12

1.18

1.24

Variable (Voltaje disruptivo)

Figura 2. Distribución de Gauss acumulada normalizada Se define una tensión de soporte del aislamiento en función del CFO: Tensión de soporte CFO

1 k

De la anterior expresión se despeja el CFO total que debe tener el aislamiento. CFO requerido

Tensión de soporte 1 k

Donde,

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6

σ es la desviación estándar para esfuerzos tipo maniobra y de acuerdo a las normas IEC 71-1 y 71-2 debe ser del 6%. K, es el número de desviaciones estándar de acuerdo a la probabilidad de flameo que se considere del aislamiento. Normalmente se asume una probabilidad de flameo del aislamiento del 10% que es lo sugerido por la norma, en cuyo caso k es igual a 1.3. Si se asume otra probabilidad de flameo, k toma otros valores. Por ejemplo si se asume una probabilidad de flameo del aislamiento del 1%, k toma un valor de 2.33. El CFO requerido se debe corregir de acuerdo a las condiciones de la región:

CFO corregido Donde,

r

Tensión de soporte 1 k

1 r

es la densidad relativa

Reemplazando en la expresión anterior la Tensión de soporte requerida de acuerdo a los sobrevoltajes esperados, se obtiene la siguiente expresión: Fs Fv Vmax CFO corregido

1 k

2 3

1 r

Los aisladores normalizados de 250 x 146 mm tienen un CFO cada uno de 80 kVpico aproximadamente. Pero el CFO no es lineal para una cadena de varios aisladores. Esta no linealidad se debe tener en cuenta mediante la utilización de un gráfico que relacione el número de aisladores de la cadena y el CFO que tendría o se puede utilizar la siguiente relación la cual es válida hasta una cadena de 20 aisladores:

No Aisladores 6.6485 10 -6 CFO2 7.9192 10 -3 CFO 0.4219

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7

1500

CFO [KVpico]

1250 1000 750 500 250 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Número de aisladores

Figura 3. CFO vs número de aisladores

Del número de aisladores que resulte por ambiente contaminado y por maniobra se determina el mayor número de aisladores requerido. Un criterio aceptado es aumentar un aislador más si es una cadena de suspensión y dos aisladores más si es una cadena de amarre.

3.

AISLAMIENTO POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

El nivel de aislamiento se debe verificar para descargas atmosféricas, ya que se pueden producir flameos entre la torre y el conductor. Para determinar el número de aisladores por descargas atmosféricas se define una rata de salidas de la línea por cada 100 km y por año. Este criterio es de cada empresa, pero es aceptado un valor de 3 salidas/100 km*año. La cantidad de aisladores requeridos es muy dependiente del valor de la puesta a tierra de la torre y de la densidad de descargas en la zona. De acuerdo a la resolución 098 de 2000 emanada de la CREG y por la cual se modifica el Anexo CC1 del Código de Conexión (Resolución 025 de 1995), en lo que se refiere al aislamiento dice: “El dimensionamiento eléctrico de las estructuras se debe definir mediante combinación de las distancias mínimas correspondientes a las sobretensiones debidas a descargas atmosféricas, a las sobretensiones de maniobra y a las sobretensiones de frecuencia industrial. En caso de usarse estructuras de otro diseño disponible por el transportador, se deberá demostrar que el dimensionamiento eléctrico satisface las condiciones de aislamiento exigidas para la región en donde se va construir la nueva línea. Para evaluar el comportamiento ante descargas eléctricas atmosféricas se debe considerar como parámetro de diseño un máximo de tres salidas por cada 100 km de línea por año.

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8 El comportamiento de la línea ante sobretensiones de maniobra se debe realizar evaluando el riesgo de falla del aislamiento, permitiéndose una (1) falla por cada cien (100) operaciones de maniobra de la línea. El comportamiento de la línea ante sobretensiones de frecuencia industrial, deberá asegurar su permanencia en servicio continuo. No se permite el uso de pararrayos de carburo silicio en ningún punto como protección de las nuevas líneas de transmisión.”

4.

SELECCIÓN DE DISTANCIAS ELÉCTRICAS MÍNIMAS

Para determinar las distancias eléctricas mínimas se tienen en cuenta las recomendaciones de las diferentes normas. Distancia mínima conductor – estructura Según el NESC (National Electrical Safety Code) de EUA, la distancia mínima conductor-estructura se puede determinar con la siguiente expresión D = 3 + 0.2(Vmáx – 8.7) D = Distancia mínima conductor-estructura en pulgadas Vmáx = Voltaje de línea máximo de operación en kV Este voltaje se debe corregir por altura sobre el nivel del mar, dividiendo por la densidad relativa en el sitio, El nivel de aislamiento de la línea al nivel del mar debe ser de 850 kV, ya que es el que tienen los equipos de las subestaciones. El BIL se debe corregir a la altura sobre el nivel del mar en el sitio. Por ejemplo, si la altura sobre el nivel del mar es 1750 m, el BIL corregido es de 1050 kV. Según la norma IEC 71-2 la distancia mínima conductor-estructura para un BIL de 1050 kV es de 1.90 m. A esta distancia se le recomienda aplicarle un factor de seguridad de 1.15 Distancia mínima cable de guarda – conductor La distancia entre cable de guarda y el conductor más próximo se determina básicamente por el ángulo de apantallamiento y la silueta de la torre. Esta distancia dependerá del criterio de apantallamiento que se adopte. Distancia mínima conductor suelo Para esta distancia se puede aplicar el criterio dado en el código de redes. Esta distancia en general es de 6.5 m para un nivel de tensión de 230 kV. Con el fin de Universidad Nacional de Colombia

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9 tener en cuenta algunas imprecisiones en el plantillado se puede asumir una distancia de 8.00 m. Distancia mínima entre fases La distancia entre fases colocada en el mismo plano horizontal está determinada por la longitud del vano y la longitud de la cadena de aisladores, debido a la ocurrencia de acercamientos a mitad el vano cuando se presenten vientos, que hagan oscilar las cadenas. Una expresión comúnmente utilizada es la del reglamento español. D = K(F+L)1/2 + Vn/150 D = distancia entre fases en m. K = Factor que tiene en cuenta el tipo de conductor y el ángulo de oscilación de la cadena. Para un conductor ACSR mayor de 200 mm 2 y un ángulo de oscilación máximo de 55°, este valor es de 0.75 F = Flecha máxima en m L = Longitud de la cadena de aisladores en m Distancia vertical entre conductores Esta distancia se elige de acuerdo a la distancia mínima a masa requerida y se puede asumir las distancias mínima dada en Código de Redes (6.0 m).

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