Articulo Cibelec

6TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES

DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (VI CIBELEC 2015)

METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO DE SOBRETENSIONES ORIGINADAS

POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS AÉREAS DE

DISTRIBUCIÓN DE 13,8 KV

Autores:

Leonel Vivas

Pedro Ramírez

Yván Hernández

CONTENIDO

Introducción

Aspectos Teóricos

Descripción de la Metodología

Caso de Estudio

Propuesta

Conclusiones

ESTADÍSTICA DE FALLAS EN EL SISTEMA ELÉCTRICO DE PDVSA

DIVISIÓN PUNTA DE MATA

EXTERNA, 20%

DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS

26 %

DESCONOCIDAS

28 %

Causas de las Fallas en el Sistema

Eléctrico de Distribución de la

División Punta de Mata del año 2007

al 2011

72%

7%

21%

Distribución

Generación

Transmisión

Fallas en el Sistema

Eléctrico de la División

Punta de Mata del año

2007 al 2011

INTRODUCCIÓN

ASPECTOS TEÓRICOS

ASPECTOS TEÓRICOS

EL RAYO

Descarga transitoria de elevada intensidad

PARÁMETROS DE INCIDENCIA DE LA DESCARGA

Nivel Ceráunico (Td): días con tormenta al año en una determinada región.

Densidad de Descargas a Tierra (Ng): [rayos/km2/año]

PARAMETROS DE INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LA DESCARGA

Distribución de Probabilidad Acumulada

𝑵𝒈 = 𝟎.𝟎𝟒𝑻𝒅𝟏.𝟐𝟓

𝑷 𝑰𝟎 ≥ 𝒊𝟎 =𝟏

𝟏+ (𝒊𝟎 𝟑𝟏 )𝟐.𝟔

ASPECTOS TEÓRICOS

FORMA DE ONDA DE CORRIENTE DEL RAYO

La forma de onda de impulso de rayo estandarizada en IEEE Std 1243-

1997 :

Cuyos parámetros son:

Tiempo de subida = 2 μs

Tiempo de cola = 20 μs

Tiempo máximo = 50 μs

ASPECTOS TEÓRICOS

TIPOS DE FALLAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

En las líneas eléctricas aéreas pueden ocurrir tres tipos de fallas por

descargas atmosféricas:

Descargas retroactivas (Backflashovers) : impactos directos al

conductor de guarda o estructura poste.

ASPECTOS TEÓRICOS


Falla en el apantallamiento (Shielding Failure) impactos directos al

conductor de fase

MODELO ELECTROGEOMÉTRICO DE ATRACCIÓN

𝑅𝑠 = 𝑅𝑝 = 10 ∗ 𝐼0.65

𝑅𝑔 = 3.6 + 1.7𝑙𝑛 43 − 𝑦𝑐 𝐼0.65𝑦𝑐

ASPECTOS TEÓRICOS


Descargas Inducidas (Induced Flashovers) : impactos cercanos a

tierra, cuyas sobretensiones inducidas en un conductor se pueden

determinar a través del modelo de Rusck (IEEE Std. 1410-1997)

donde:

V : voltaje pico inducido, kV.

I : corriente pico de impacto, kA.

h : altura de la línea, usualmente en metros o pies.

y : distancia del impacto a la línea.

𝑉 = 36.5𝐼.ℎ

𝑦

DESCRIPCIÓN DE LA

METODOLOGÍA

Recolección de datos

Modelado de la Línea Aérea

Simulación de Tipos de

Falla

Cálculo de Tasa de Salida

Evaluación de Opciones

de Mejora

Propuesta de Ajustes

CASO DE ESTUDIO

MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13,8 KV

Se realiza mediante la herramienta de simulación TFlash v 4.0.22 desarrollada

por EPRI (Electric Power Research Institute).

PARAMETROS GENERALES DE SIMULACIÓN

Nivel de Voltaje de operación: 13,8 kV

Número de Circuitos: 1

Densidad de descargas atmosféricas a tierra (Ng): 9,57 descargas/km2/año

Forma de Onda del Impulso de Rayo: estandarizada en IEEE Std. 1243-1997

MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13,8 KV

Datos Geográficos

• Corredor

• Elementos cercanos

• Resistividad del terreno

Postes y Estructuras

• Ubicación

• Tipo de configuración

• Sistema de puesta a tierra

Conductores • Tipo y calibre

• Disposición geométrica

Elementos Instalados

• Aisladores

• Descargadores de sobretensión

MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13.8 KV

PERFIL TOPOGRÁFICO DEL CORREDOR

125

130

135

140

145

150

155

0 98 189 277 370 456 551 654 724

Co

ta (

m.s

.n.m

)

Distancia (m)


CARACTERÍSTICAS DE LA LÍNEA


PERFIL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Resis

ten

cia

de P

uesta

a T

ierr

a Ω

Postes

Perfil deResistencia dePuesta a Tierra

Valor máximopermitido ANSIIEEE C2


CONDUCTORES:

FASE: 477 kcmil ASCR

GUARDA: 3/8 ”

AISLADORES

Clase ANSI C29.13: DS-28

Tipo: Retención

Material: Polimérico

CFO POSITIVO: 190 kV

CFO NEGATIVO: 220 kV


DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN:

Norma: IEEE C62-11 1999

Fabricante: Siemens

Modelo: 3EK7 150-3AD4-Z P12

ESCENARIOS DE

SIMULACIÓN

ESCENARIOS DE SIMULACIÓN

Escenario N°1 Impacto de Descarga Atmosférica Directo al

Conductor de Guarda. Línea Muscar II 13,8 kV


Escenario N°2 Impacto de Descarga Atmosférica Directo a un

Conductor de Fase. Línea Muscar II 13,8 kV


Detección de Fallas en Apantallamiento de la Línea Muscar II 13,8 kV

Poste 1 Poste 2 Poste 3




Escenario N° 3 Impacto de Descarga Atmosférica a Tierra o

Cercano. Línea Muscar II 13,8 kV

CÁLCULO DE TASA DE

SALIDA

SIMULACIÓN ESTADÍSTICA DE TASAS DE

SALIDA

Corrida de rutina de cálculo estadístico en la herramienta TFlash v 4.0.22

CÁCULO ESTADÍSTICO DE TASAS DE SALIDA

Distribución de los tipos de fallas por descargas atmosféricas en la línea

Muscar II 13,8 kV

OPCIONES DE MEJORA

OPCIONES DE MEJORA

Opción N°1. Aumento de la Capacidad de Aislamiento

Clase ANSI C29.13: DS-35

Tipo: Retención

Material: Polimérico

Distancias en mm: 559 (entre ejes), 954 (fuga), 426 (arco seco)

CFO positivo: 300 kV

CFO negativo: 320 kV

OPCIONES DE MEJORA

Opción N°2. Mejora del Sistema de Puesta a Tierra

Tipo: contrapeso continuo

Conductor: cobre desnudo 4/0 AWG

Longitud: 724 m (correspondiente a la longitud de la línea)

Profundidad: 1 m bajo el nivel del suelo

OPCIONES DE MEJORA

Opción N°3. Corrección del ángulo de apantallamiento

Postes de Amarre, N° 1, 2, 6, 8 y 9, ya = yb = yc = 10.91 m

Postes de Suspensión, N° 3, 4, 5 y 7, ya = 10.97 m , yb = yc = 9.47 m




OPCIONES DE MEJORA

Evaluación de las opciones de mejora

PROPUESTA

PROPUESTA

ESTRUCTURA DE LA PROPUESTA

Aumento de la capacidad de aislamiento y mejora del sistema de puesta a

tierra

La tasa salida pasa a ser 51.379 salidas/ 100 km de línea/ año, se reduce

a un 29% del valor actual.

CONCLUSIONES

La simulación de los escenarios permitió observar en detalle el comportamiento

de la línea aérea de distribución en estudio ante los tipos de falla simulados,

obteniendo información asociada a las magnitudes de corrientes críticas y

sobretensiones inducidas.

Con la aplicación de la rutina de cálculo estadístico de la herramienta de

simulación TFlash v 4.0.22 se obtuvo la información necesaria para orientar las

propuestas de mejora de rendimiento de la línea II Amana-Muscar 13,8 kV ante

sobretensiones originadas por descargas atmosféricas.

CONCLUSIONES

La línea II Amana-Muscar 13,8 kV, se encuentra afectada principalmente por las

sobretensiones inducidas, originadas por impactos de rayo cercanos a la línea.

La implementación de aisladores con un nivel de CFO de 300 kV en la línea

Muscar II 13,8 kV, sumado a la mejora del sistema de puesta a tierra en miras de

cumplir con los valores normalizados de resistencia de puesta a tierra, mejora el

desempeño de la misma ante sobretensiones originadas por descargas

atmosféricas, reduciendo la tasa de salida a un 29 % de la tasa actual.

El sistema de puesta a tierra está directamente ligado al desempeño de la línea

aérea ante impactos de rayo directos al conductor de guarda.

CONCLUSIONES

Corregir el ángulo de apantallamiento a 43.02° en postes de amarre y 44.20° en

postes de suspensión, resulta la forma más apropiada de disminuir las fallas por

impactos de rayo a un conductor de fase en la línea II Amana-Muscar 13,8 kV.

La instalación de descargadores de sobretensión en todos los postes de la línea

II Amana-Muscar 13,8 kV se lleva a cero la tasa de salida ante sobretensiones

originadas por descargas atmosféricas, sin embargo estos representan puntos de

falla adicionales en la red, con lo que aumenta el número de fallas y los tiempos de

reposición del servicio, por lo que la implementación de los mismos debe analizarse

a través de un análisis técnico-económico aparte.

¿PREGUNTAS?

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