Sobretensiones y coordinacin deaislamiento

Sobretensiones y coordinacin del aislamientoLa coordinacin del aislamiento es una disciplina que permite realizar el mejor compromiso tcnico econmico en la proteccin de las personas y del material contra las sobretensiones que pueden aparecer en las instalaciones elctricas, sobretensiones que pueden tener por origen la red o el rayo.Tiene un especial inters en la consecucin de una mayor disponibilidad de la energa elctrica, siendo tanto ms importante cuanto ms elevada es la tensin de la red.

1 SobretensionesPueden aparecer:Entre fases o entre circuitos distintos, y son llamadas de modo diferencial,Entre los conductores activos y una masa, o la tierra, y son llamados de modo comn.

Sobretensiones afrecuencia industrialBajo esta denominacin de frecuencia industrial se reagrupan las sobretensiones de frecuencias inferiores a 500 Hz. Se recuerda que las frecuencias industriales ms frecuentes son: 50, 60 y 400 Hz.

Sobretensiones porferrorresonanciaLa sobretensin es entonces el resultado de una resonancia particular que se produce cuando un circuito comporta a la vez uncondensador (voluntario o parsito) y una autoinduccin con circuito magntico saturable (por ejemplo, un transformador). Esta resonancia puede aparecer, sobre todo, cuando una maniobra (apertura o cierre de un circuito) se realiza en la red con un aparato de polos para dos, o de funcionamiento no simultneo.

Sobretensiones demaniobraLa modificacin brusca de la estructura de una red elctrica provoca la manifestacin de fenmenos transitorios. stos se traducen, a menudo, por la aparicin de una onda de sobretensin o de un tren de ondas de alta frecuencia de tipo aperidico, u oscilatorio, de amortiguamiento rpido.

Sobretensiones de conmutacin encarga normalUna carga normal es esencialmente resistiva, es decir, que su factor de potencia es superior a 0,7.En este caso el corte o el establecimiento de las corrientes de carga no plantea un problema mayor.El coeficiente de sobretensin (relacin de las amplitudes de la tensin transitoria y de la tensin de servicio) vara entre 1,2 y 1,5.

Sobretensiones provocadas por elestablecimiento o la interrupcin depequeas corrientes inductivasEste tipo de sobretensin tiene tres fenmenos generadores: la supresin brusca de la corriente, el recebado y el precebado.

Sobretensiones provocadas pormaniobras en circuitos capacitivosPor circuitos capacitivos entendemos a los circuitos constituidos por bateras de condensadores y a las lneas en vaco.

SobretensionesatmosfricasLas tormentas son un fenmeno natural, conocido por todos, espectacular y peligroso.

El rayo directoSe manifiesta por la inyeccin en la lnea de una onda de corriente de varias decenas de kA. Esta onda de corriente que puede fundir los conductores, al propagarse a una y otra parte del punto del impacto

El rayo indirectoCuando el rayo cae sobre una torre, o simplemente en las proximidades de una lnea, se generan en la red sobretensiones importantes.Este segundo caso, ms frecuente que el rayo directo, puede manifestarse tambin peligroso.

Sobretensiones electrostticasHay otros tipos de descargas atmosfricas. En efecto, si la mayora de sobretensiones inducidas son de origen electromagntico, algunas son de origen electrosttico e interesan particularmente a las redes aisladas de tierra.

2 La coordinacin del aislamientoLas primeras redes elctricas (Grenoble-Jarrie 1 883) eran tecnolgicamente muy rudimentarias y a merced de las condiciones atmosfricas, como el viento y la lluvia.

DefinicinLa coordinacin del aislamiento por objeto determinar las caractersticas de aislamiento necesarias y suficientes de los diversos componentes de las con vistas a obtener una rigidez homognea a las tensiones normales, as como a las sobretensiones de origen diverso

Distancia de aislamiento ytensin soportadaDistancia de aislamiento

Esta denominacin reagrupa dos nociones, una de distancia en el gas (aire, SF6, etc.) y la otra de la lnea de fuga de los aislantes slidos

Tensin soportadaDifiere, en particular, segn el tipo de sobretensin aplicada (nivel de tensin, frente de onda, frecuencia, duracin). Adems, las lneas de fuga pueden estar sujetas a fenmenos de envejecimiento, propios del material aislante considerado, que implica una degradacin de sus caractersticas.

Tensin soportadaEn un gas, la tensin soportada de un aislamiento es una funcin exageradamente no lineal, de la distancia. Por ejemplo en el aire, un campo elctrico de tensin eficaz 300 kV/m es admisible por debajo de 1 m, pero este puede reducirse a 200 kV/m entre 1 y 4 m y a 150 kV/m entre 4 y 8 m. Es necesario tambin anotar que esta distancia no es prcticamente modificada por la lluvia.

Tensin soportada a frecuenciaindustrialEn rgimen normal, la tensin de la red puede presentar sobretensiones a frecuencia industrial de dbil duracin (fraccin de segundo a algunas horas, segn el modo de explotacin y de proteccin de la red).La tensin soportada de ensayo a frecuencia industrial, recomendada en los ensayos de rigidez dielctrica habituales, de un minuto, es generalmente suficiente.

Tensin soportada a lassobretensiones de maniobraLas distancias sometidas a tensiones de choque de maniobra renen cuatro propiedades fundamentales

Principio de la coordinacin del aislamientoEstudiar la coordinacin del aislamiento de una instalacin elctrica es, pues, definir, a partir de los niveles de tensiones y sobretensiones susceptibles de presentarse en esta instalacin, uno o ms niveles de proteccin contra las sobretensiones

3 Los dispositivos de proteccin contra las sobreintensidadesLos explosores y pararrayos son los dispositivos utilizados para descrestar y limitar las sobretensiones transitorias de fuerte amplitud. Generalmente se dimensionan para intervenir en las sobretensiones de la cada del rayo.

Los explosoresUtilizados en MT y AT se colocan en los puntos de la red particularmente expuestos y a la entrada de los Centros de Transformacin MT/BT.Su papel es el de constituir un punto dbil en el aislamiento de la red, con el fin de que un eventual cebado de arco se produzca sistemticamente en l.

Los pararrayosSu ventaja es que no presentan corriente de fuga y evitan que la red quede sometida a un cortocircuito fase-tierra y sin tensin despus del cebado.Se han diseado diferentes modelos: pararrayos a chorro de agua, pararrayos a gas.

Los pararrayos de xido de Zinc(ZnO)Estn constituidos nicamente por varistancias y reemplazan, cada vez ms, a los pararrayos a resistencias variables y explosores

4 Disposiciones normativas y coordinacin del aislamientoDespus de numerosos aos la Comisin Electrotcnica Internacional ha abordado el problema de la coordinacin del aislamiento en AT.

La coordinacin delaislamiento AT segn CEI 71Uno de los objetivos de esta norma, que deber ser aplicada en 1 993, es la explicacin y la descomposicin de los diferentes coeficientes que permiten determinar las tensiones soportadas.

Determinacin de los niveles deaislamientotensiones soportadas invariables yvlidas en todos los casos, peropermite la realizacin de estudios decoordinacin de aislamiento envarias etapas.

Nivel de aislamiento normalizado para las redes de tensin eficaz comprendida

investigacin de coordinacin del aislamiento para una red de 24 kV,

5 Coordinacin aplicada al diseo de instalaciones elctricasEste estudio es econmicamente tanto ms importante cuanto ms elevada es la tensin de servicio.

Consecuencias de uncebado de arcoUn fallo dielctrico (perforacin o cebado de un arco) puede provocar el funcionamiento de las protecciones en el mejor de los casos, la destruccin de materiales; en el peor de los casos, una interrupcin de servicio por fallo.

Un defecto de aislamiento en una red de MT tiene consecuencias que, a menor escala, son los mismos que en AT.Los cortes elctricos que de ello resultan pueden, tambin, ser deconsecuencias graves para los distribuidores de energa (prdidasde facturacin), para los abonados industriales (prdidas de produccin) y para las personas (seguridad).En MT

En la prctica, cuando ms baja es la tensin de servicio ms limitadas son las consecuencias de una falta en el caso de distribucin de energa.Pero el desarrollo de los sistemas y equipamientos electrnicos est en el origen de numerosos incidentes consecutivos a las sobretensiones.En efecto, el nivel de tensin soportada a las perturbaciones noest siempre especificado o no est coordinado con el nivelcorrespondiente a su instalacin.En BT

Frente a las diferentes sobretensiones examinadas en el captulo 1, pueden ser consideradas soluciones simples en los primeros proyectos de la instalacin.Sobretensin debida a la ferrorresonanciaReduccin de los riesgos y de los niveles de sobretensin

La solucin consiste en evitar los reencendidos sucesivos incrementando la velocidad de separacin de los contactos y la utilizacin de un buen dielctrico (vaco o SF6).Sobretensiones provocadas por la ruptura de corrientes capacitivas

Se evitan en las redes de transporte por una puesta en tensin progresiva, obtenida asociando resistencias de insercin en el interruptor automtico.Sobretensiones provocadas por la conexin de una lnea en vaco

Los medios a poner en obra son de tres tipos: disposicin de cables de guarda para evitar los choques directos (captulo 1),instalacin de protecciones en los puntos sensibles (explosores, o preferentemente, pararrayos), (captulo 2),realizacin de tomas de tierra de buena calidad (captulo 1).Sobretensiones provocadas por una cada del rayo

ConclusinLa coordinacin del aislamiento intenta encontrar un justo equilibrio entre la fiabilidad de los materiales, desde el punto de vista dielctrico, por una parte y de su dimensionamiento, y por tanto su coste, por la otra parte.La explicacin que se ha hecho en este documento muestra la complejidad de los parmetros que intervienen en este tipo de anlisis. Adems, el aspecto estadstico del comportamiento a las sobretensiones transitorias prohbe la pretensin de hallar soluciones absolutas.

Anexo 2: Instalacin de pararrayosCualquiera que sea el origen de una sobretensin, sta se propagar a lo largo de la lnea, o del cable que constituyen la red.Este soporte de propagacin puede ser modelado haciendo intervenir los valores por unidad de longitud de la inductancia y de la resistencia en sentido longitudinal y de la capacidad y la conductancia en sentidotransversal (figura 30).

La velocidad de propagacin es prxima a la de la luz, o sea, alrededor de 3 x 108 m/s. Se puede igualmente expresar esta velocidad como igual a 300 metros por microsegundos, lo que da una mejor apreciacin del reparto a lo largo del conductor de un frente de onda de duracin muy corta (figura 31).

Anexo 2: Instalacin de pararrayosLa exigencia mxima en el punto abierto ser generada por la reflexin de la cresta de la onda limitada por el pararrayos. Esta exigencia ser igual a dos veces esta cresta.Para respetar el lmite de 125 kV del material, el pararrayos debe pues intervenir cuanto ms tarde cuando la onda incidente en su emplazamiento valga: 125 / 2 = 62,5 kV (instante T0 de la figura 32).

La diferencia entre el valor incidente 62,5 kV y el valor reflejado 12,5 kV, o sea, 50 kV corresponde al frente de la onda repartido sobre el trayecto ida y vuelta entre el pararrayos y el punto abierto. Esta distancia de ida y vuelta es pues, igual a 50 m, o sea, una distancia de proteccin mxima de 25 m.NotaEl coeficiente 2 no significa el doble de la tensin de cresta sino superposicin de la onda incidente de la onda reflejada (figura 32).

Si no se quiere que esta tensin se adicione a la tensin residual, es necesario que frente al fenmeno del rayo el material propuesto est en derivacin en los bornes del pararrayos.En la prctica, esto consiste en realizar la conexin tal como indica la figura 33.

Si el enlace AT/material no se efecta sobre el pararrayos, la longitud del conductor debe ser lo ms corta posible (figura 34).

Anexo 3: Las normas elctricasExisten 3 niveles de normalizacin:los tres organismos que se citan a continuacin actan respectivamente a nivel mundial, europeo y nacional: Mundialla CEI (Comisin Electrotcnica Internacional) produce las normas CEI; participan 60 pases. Una norma no es aceptada si frente a ella encuentra un 20% de opositores. Encada pas, su aplicacin puede tener derogaciones.

EuropeoCENELEC (Comit Europeo de Normalizacin Electrotcnica), produce las normas EN; reagrupa 18 pases, en su mayora europeos. Sus normas votadas son de aplicacin obligatoria.NacionalUTE (Unin Tcnica de Electricidad); produce las normas francesas NF. AENOR (Asociacin Espaola de Normalizacin); produce las normas espaolas UNE.

Anexo 4: BibliografaNormasCEI 60: Tcnica de los ensayos en alta tensin.CEI 71-1: Coordinacin del aislamiento: definiciones, principios y reglas.CEI 71-2: Coordinacin delaislamiento: gua de aplicacin.CEI 99: Pararrayos.

Publicaciones diversasTechniques de l'ingnieur: captulo Gaz Isolants.Les propits dilectriques de l'air et les trs hautes tensions, (Publicacin EDF).Principes and procedures of the insulation co-ordination, KH.WECK.Dimensionnement des parafoudres MT por le rseau EDF (1988).A. ROUSSEAU (EDF).