Post on 21-Jun-2015
COORDINACIÓN DE LA AISLACION CORDOBA HERNAN
INTRODUCCIÓN
Es uno de los aspectos más importantes en el diseño de estaciones.
Las fallas más frecuentes son las ocasionadas por la ruptura dieléctrica de los medios aislantes.
Tales niveles de aislación demandarán mayores costos de instalación, con incidencia muy significativa
Definiciones
IRAM 2211 (adaptación de la IEC Publication 71/1967): “Conjunto de disposiciones tomadas: con el objeto de evitar daños a los aparatos eléctricos debido a
sobretensiones, y para localizar las descargas de arco (cuando no se las puede
evitar económicamente) en los puntos en los cuales no pueden causar daño.
Estos objetivos se logran estableciendo una adecuada correlación entre: las condiciones que debe resistir la aislación de los aparatos, las sobretensiones a las que pueden estar sometidos en
servicio, y las características de los dispositivos de protección contra
sobretensiones”.
DEFINICIONES
IEC Publication 71/1976: “Comprende la selección de los niveles de aislación de
aparatos y equipos, y su implementación, en función de las tensiones que pueden aparecer en la red a que dichos equipos están destinados, y tomando en consideración las características de los dispositivos de protección disponibles, todo ello realizado de modo que se reduzca a un nivel aceptable, desde los puntos de vista técnico (de operación) y económico, la probabilidad de que las solicitaciones dieléctricas que los equipos han de soportar deterioren su funcionamiento o afecten la continuidad de servicio”.
Razones
Tendencia a operar: Con mayores transferencias de potencia con mayores voltajes nominales de
operación
Calidad de Servicio. Se expresa en términos de la duración y la
frecuencia de las interrupciones de servicio.
Aspectos a tener en cuenta
Determinación de las solicitaciones dieléctrica.
Investigar el comportamiento de los aislamientos bajo tales solicitaciones, en distintas condiciones ambientales.
Definir los niveles de aislación adecuados. el grado de confiabilidad requerido un riesgo aceptable de falla
SOLICITACIONES DIELÉCTRICAS
Tipos: Normales: IEC 71-1 (1976), art. 39 a
Aspectos relevantes envejecimiento natural condiciones de contaminación
En lo concerniente a la tensión de servicio normal, el aislamiento
debe soportar en forma permanente la máxima tensión
del equipamiento.
VIDEO LIMPIEZA DE AISLADORES EN AT
SOLICITACIONES DE INTERÉS
Norma IEC 71-1, artículos 3,4 y 5.Tensión nominal del sistemaTensión máxima del sistemaMáxima tensión del equipamiento (Um)
Todas las solicitaciones dieléctricas que el equipo debe soportar están
referidas a esta Um
CLASIFICACIÓN SEGÚN SU ORIGEN Sobretensiones de Origen Externo
INCIDENCIA SOBRE LA RED ELÉCTRICA
Los fenómenos atmosféricos, y principalmente las caídas de rayos, producen ondas viajeras, que provocan, según estadísticas:
el 26% de las interrupciones en servicio en líneas de 230 kV
el 65% de las interrupciones de servicio en líneas de 345 kV
SOBRETENSIONES TRANSITORIAS POR INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA
IIMPACTÓ DE RAYOS
CONSIDERACIONES ESTADÍSTICAS Y OPERATIVAS
Transitorio y Fugaz En el caso de las descargas atmosféricas
puede producirse el contorneo de los aisladores, sin destruirlos.
También las oscilaciones de las líneas por acción del viento pueden provocar fallas momentáneas entre las fases.
Ramas y pájaros, u objetos transportados (ej. trozos de cable) por éstos también pueden provocar fallas fugaces.
SOBRETENSIONES DE ORIGEN INTERNO Tales sobretensiones se caracterizan por tener:
Un estado estacionario inicial Un estado transitorio intermedio (caracterizado por variaciones
amortiguadas de tensión) Un estado estacionario final
Las causas más importantes que las originan son: Energización / reenergización de líneas largas Irrupción o supresión abrupta de fallas Interrupción de corrientes capacitivas o inductivas Desconexión de cargas en el extremo de una línea
larga Etc.
CLASIFICACIÓN SEGÚN LA FORMA DE ONDA DE LA SOBRETENSIÓN
Descargas atmosféricas Sobretensiones de maniobra Sobretensiones temporarias
Estacionarias o con variaciones lentas de amplitud.
subsiguientes a sobretensiones de maniobra por efecto Ferranti por autoexcitación de generadores De frecuencia industrial Ferrorresonancia Sobretensiones temporarias continuas
Condiciones de Servicio
Ambientales a1) Atmosféricos a2) Meteorológicos a3) De contaminación
Otros Envejecimiento Esfuerzos mecánicos Impactos Calentamiento propio o excesivo del servicio Choques térmicos etc.
REDUCCIÓN Y CONTROL DE LAS SOBRETENSIONES
Medidas Sin falla de la aislación Con falla de la aislación
ONDAS NORMALIZADAS
Comportamiento de los aislamientos frente a las distintas solicitaciones no es fácil de inferir.
Para ello se recurre a pruebas de laboratorio a escala real, ya sea sobre prototipos o sobre los equipos completos, para estudiar y conocer cuál es el comportamiento más probable del aislamiento frente a las condiciones operativas esperables.
TIPOS Sobretensión de impulso atmosférico (IEC Publ. 60,
IRAM 2318) (V. Figura DRF_401.jpg)
PARÁMETROS
Para una onda de corriente, se calcula mediante la expresión: Para ondas de tensión con un tiempo de frente
menor o igual que 30 [s], es la duración virtual del frente de onda, en [s].
tfv = 1.67 (t0.9 – t0.3) [μseg]
tf = tiempo de frente (Rise Time o Front Time) Para ondas de tensión con un tiempo de frente menor
o igual que 30 [s], es la duración virtual del frente de onda, en [s].
tfv = 1.67 (t0.9 – t0.3) [μseg]
PARÁMETROS Origen convencional de tiempos en
una onda de impulso. norma IRAM 2318
Para ondas de tensión Para ondas de corriente
Pendiente convencional del frente de onda
tc = tiempo de cola(Tail Time) = 50 [s] ± 20%
U = valor de cresta ( ó valor de pico) = valor normalizado ± 3%
ˆf
f
Up
t
ESPECIFICACIÓN TÍPICA (VALORES CONVENCIONALES)
Especificación típica (valores convencionales): 1.2 / 50 [s].
Ecuación estándar
SOBRETENSIÓN DE IMPULSO DE MANIOBRA (IEC PUBL. 60)
Especificación típica (valores convencionales): 250/ 2500 [s]
Sobretensiones (AC) de frecuencia industrial
Sobretensiones continuas (DC) Ensayos DRF_403.jpg La evaluación de un ensayo
por comparación simple (pasa / no pasa) (“pass/fail”) por evaluación de comparación de formas de onda.
GENERADORES DE IMPULSOS (REF. [8])
GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA
Frente de Onda
Como R2 >> R1, que R2 se comporta como un circuito abierto
1
1. 211 2
C CRC C
GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA
Cola de Onda
2 2( 1 2)R C C
Parámetros( 1 2)
1 21. 2
L C CR
C C
1 0.4 0.512 2.5 2 2 2.5 2 2
frenteT T aR
a veces C a veces C C
2 50 71.42
0.7 ( 1 2) 0.7 1 1
TR
C C C C
GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA
Conexión Alternativa
RENDIMIENTO DE TENSIÓN DEL GENERADOR
Tensión máxima de impulso
Tensión continua de entrada
AISLAMIENTOS Tipos Según su emplazamiento (IRAM 2211,
Arts. C-6 a C-9) Aislación externa: - para exteriores
- para interiores Aislación Interna
Según su comportamiento después de una descarga disruptiva (IEC 71-1, Arts. 10 – 11) Autorregenerativos (“self-restoring
insulation”) No autorregenerativos
CURVA CARACTERÍSTICA TENSIÓN – TIEMPO DE UN AISLAMIENTO
Las solicitaciones se caracterizan por los siguientes atributos: magnitud y polaridad de la tensión aplicada duración forma de la onda número de solicitaciones reiteradas frecuencia de repetición
La ruptura puede presentarse: en el frente, en la cresta o en la cola
de la onda de impulso de ensayo.
CURVA CARACTERÍSTICA U - T FRENTE A ONDAS DE IMPULSO ATMOSFÉRICAS
GP 51_52.jpg
GEOMÉTRICO DE LOS PUNTOS DE LA CURVA CARACTERÍSTICA
Sobre el frente de la onda (tramo (a) de la curva de la Fig. DRF_405.jpg) Ocurre cuando las aplicadas >> , trupt < Tcr)
Estadísticamente en el pico de la onda aplicada, correspondiente a la curva “critical or 50% impulse flashover voltage” descripta anteriormente, cuyo lugar geométrico está dado por las coordenadas: t = Tcr = Tiempo crítico= Valor de cresta de la curva “critical or
50% impulse flashover voltage” (Fig. DRF_405.jpg), que tiene lugar cuando t = Tcr = Tiempo crítico
En la cola de la onda (tramo (b) de la curva de la Fig. DRF_405.jpg) La disrupción ocurre cuando las aplicadas > , siendo conveniente
consignar aquí que cada punto del tramo (b) de la característica tensión – tiempo está dado por el par (trupt, ), siendo:
(de cresta) es la tensión de cresta de la onda aplicada, que ha debido soportar el aislamiento antes de la ruptura dieléctrica en la parte descendiente de la misma (cola)
trupt , que se consigna en el momento de la ruptura dieléctrica, medido a partir de t = 0. (Ver también Fig. GP_51_52.jpg (abajo))
CARACTERÍSTICA U-T FRENTE A ONDAS DE IMPULSO DE MANIOBRA
Para tiempos t Tcresta de la onda aplicada, los valores de la onda cercanos a (de cresta) varían mucho más “lentamente” (es decir, la onda de impulso de maniobra es considerablemente más suave y más “chata”, y sus valores se mantienen un tiempo suficiente como para asegurar con certeza la ocurrencia de una descarga disruptiva completa, si se ha superado el valor de cresta de tensión crítica de ruptura correspondiente a la forma de onda utilizada.
LUGAR GEOMÉTRICO DE LOS PUNTOS DE LA CURVA CARACTERÍSTICA
Fig. JR_06.jpg
CARACTERÍSTICA U-T PARA SOLICITACIONES DE FRECUENCIA
INDUSTRIAL Para estudiar cómo se comporta un aislamiento
sometido en forma permanente o alternada a una tensión U de frecuencia industrial (50...60 [hz]), se aplica ésta partiendo de una amplitud 0 (o muy pequeña), y se la va incrementando rápidamente en amplitud, hasta alcanzar en unos pocos segundos un valor pre-establecido, y manteniendo esa solicitación hasta que: se produzca una descarga disruptiva, o
alternativamente transcurra tanto tiempo que la ocurrencia de la
descarga se pueda razonablemente descartar.
Lugar Geométrico de los puntos de la Característica
Fig. JR_07.jpg
Característica u-t Compuesta
CASOS PARTICULARES DE AISLAMIENTOS Transformadores
NK_08_20a.jpg
NIVELES DE AISLACIÓN
Un aislamiento suele especificarse en términos de niveles de aislación, que son los valores de voltaje que el aislamiento deberá superar bajo condiciones de ensayo, para ser considerado apto en la aplicación prevista.
Nivel de aislación básico (BIL) Es el nivel de aislación a tensiones de impulso de tipo atmosférico:
1.2 / 50 [s]. Este nivel se fija para:
cada tensión nominal, y cada equipo
Nivel de Aislación a impulsos de Maniobra (SIL) Nivel de Aislación a Frecuencia Industrial de Corta
Duración: Es el nivel de aislación para ensayos a 50 [hz], durante 1 minuto
NORMAS APLICABLES
IRAM 2211/72: “Coordinación de la aislación eléctrica”. (Oct. 1972, 12 pág.)
2211-1 (Mayo 1985): Definiciones, principios y reglas 2211-2 (Mayo 1988): Guía de Aplicación 2211-3 (Julio 1988): Principios, reglas y guías de aplicación
IEC 38 (1975): “I.E.C. Standard Voltages” (5th. Edition, 1975, 11 pág)
IEC 71-1 (1976): “Insulation Coordination – Part I: Terms, definitions, principles and rules” (6th. Edition, 1976, 45 pág)
IEC 71-2 (1976): “Insulation Coordination – Part II: Application Guide” (2nd. Edition, 1976, 127 pág)
PROCEDIMIENTOS PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOS
Aislamientos en Paralelo
PROTECCIÓN CON EXPLOSORES
Figura NK_08_20a.jpg
1ER. CASO Pueden darse 3 sub-casos
Para ondas impulsivas û(de cresta) > Up
Para ondas cuya û (de cresta) < Up
Para ondas cuya û(de cresta) = Up
2DO. CASOSea una onda (atmosférica o de maniobra) cuyo valor de cresta û (de cresta) ocurre en Tcr > trp . En síntesis, para cualquier onda de solicitación tal que:su magnitud no supere el valor Up, ysu frente de onda no supere la pendiente Up/tp
en el punto de la red considerado,un dispositivo protector “E” será eficaz frente a ella, si su curva característica V – t queda a la izquierda de la curva del dispositivo a proteger “A”.
PROCEDIMIENTO GENERAL
Aspectos a considerar 1°) Para cada equipo, seleccionar la aislación
adecuada para soportar las solicitaciones previstas. Esto implica coordinar los niveles de aislación con la solicitaciones, en forma localizada
2°) Coordinar los diferentes niveles de aislación de todos los equipos entre sí, y con los dispositivos de control y protección, para que:
el costo sea mínimo se satisfaga la figura de “riesgo de falla” especificado
NIVELES NORMALIZADOS DE AISLACIÓNEl cuadro II tiene dos zonas:- la izquierda, que describe niveles de tensión (5 columnas)
Un = tensión nominal del sistema entre fases Um = tensión máxima (del sistema) entre fases Ud = tensión nominal del descargador = máxima tensión efectiva
de protección Up = nivel de tensión de protección del descargador
- La derecha, que describe las tensiones de ensayo, para distintos equipos de potencia, para los ensayos de:
frecuencia industrial (50 hz) de corta duración (1’) impulso
Cuadro III: tiene 5 columnas:- Um = máxima tensión eficaz del equipamiento (tensión compuesta, o de línea)- Ub fase = Tensión Base de fase = Um . (2 / 3) = valor pico (*2) de la tensión de
fase (/3) cuya tensión de línea es Um. (Se utiliza para expresar las tensiones en p.u.)
- Umáx maniobra (para impulsos de maniobra) = k [p.u.] * Ub fase
donde k define valores de ensayo (mínimos, máximos) a través de coeficientes [p.u.], referidos al valor de Umáx.
- R = razón [p.u.] entre valores de la 3ª. y 5ª. columna. Son siempre mayores que 1.
- Umáx. atmósferica (para impulsos atmosféricos)
COMPLEJIDAD DE LOS DISTINTOS ENFOQUES
CON RESPECTO AL TIPO DE SOLICITACIÓN La Figura 10 ilustra:
en las abscisas, la tensión nominal del sistema (en [kV])
en las ordenadas, el nivel de las solicitaciones, según su tipo (en [kV])
Curva A: Ub fase (v. Cuadro III) para tensiones de frecuencia industrial
Curva B: U máx por sobretensiones atmosféricas (600 kV)
Curva C: A + B Curva D: U máx por sobretensiones de maniobra = k
* A
CON RESPECTO A LAS DISTANCIAS DISRUPTIVAS EN AIRE
CON RESPECTO A LA INVERSIÓN EN AISLACIÓN
En síntesis, de lo dicho, resultaría entonces perfectamente justificable emplear dispositivos de control y reducción de sobretensiones de maniobra hasta niveles cercanos a 1.5 [p.u.]
Al hacer esto, uno se aproxima a los valores de las máximas sobretensiones temporarias a 50 hz, que imponen restricciones a la aplicación de descargadores como dispositivos de protección.
El problema se torna complejo si se debe tener en cuenta el problema de contaminación superficial de las aislaciones externas del aislamiento, que puede exigir una dr mayor que la dr necesaria para afrontar las sobretensiones de maniobra.
GUÍA PARA LA COORDINACIÓN DE LA AISLACIÓN EN EATBloque Tarea a realizar
1 Determinación de la Tensión de servicio
2Determinación de las características estructurales y operativas de la red (conectividad, valores de tensiones de referencia en los nodos, etc)
3 Cálculo de sobretensiones temporarias4 Cálculo de sobretensiones de maniobra
5Con la referencia de 2. y los resultados de 3., se adopta un nivel de aislación general (para todos los equipos – autorregenerativos o no – del sistema)
6
3, 5 se eligen los descargadores de sobretensiones. Su Vnominal debe ser ligeramente superior a las máximas sobretensiones temporarias.- Se adopta el número, asignación y posición de los
descargadores destinados a proteger a los aislamientos no auto-regenerativos.
- Se fija el nivel de protección obtenido, vg. la magnitud (en kV) a la que quedan reducidas las máximas sobretensiones atmosféricas por acción de los descargadores
7
Para los aislamientos no auto-regenerativos, se calcula:5, 6 BIL 1.25 · Up del descargador
(1.25 = factor de seguridad)4 BSIL (según respuesta de los descargadores a las sobretensiones de maniobra)3 NAIM para las sobretensiones temporarias- Punto de decisión:- Si los aislamientos son muy costosos, volver al punto 2 y replantear la estructura y/o los valores
operativos de referencia de la red (procedimiento eventualmente recursivo, por aproximaciones sucesivas)
8
Una vez determinado el punto 7, con todas sus eventuales recursividades:Para los aislamientos auto-regenerativos:- Aquí no se les calcula BIL, ya que no llevan descargadores asociados. no se evalúa aquí la influencia
de las descargas atmosféricas, sino más adelante (v. Bloques 9 a 12)- 4, 5, 6 BSIL, según las máximas sobretensiones de maniobra esperables (fseguridad: entre 1.15 y 1.25)- NAIM mínimo, superior a las sobretensiones temporarias- Punto de decisión:
Si los aislamientos auto-regenerativos son muy caros, volver al punto 2 y replantear estructura y valores operativos de referencia (procedimiento recursivo), recalculando 4 y volviendo a calcular 8.
9Determinación de las características de las descargas atmosféricas en la zona geográfica de la instalación
10
Determinación de- Resistencia de p.a.t. de torres y estructuras- Cable de guardia- BIL de las líneas- Disposición de los aparatos en la subestación- Cualquier otro dato que sea relevante
119, 10 Cálculo de sobretensiones atmosféricas (kV) sobre los aislamientos auto-regenerativos (no protegidos):
12
Se elige el BIL de los aislamientos auto-regenerativos- Puntos de decisión:
1) Con respecto a los niveles de aislación Si el BIL es suficiente, y El NAIM elegido (en 8) anteriormente es compatible FIN
2) Con respecto al costo Si es demasiado oneroso, volver a 10, y replantear algunas características de la instalación
FIN
CORDOBA HERNAN
JOSE LUIS MONTERO