APANTALLAMIENTO S/E DE A.T

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS: DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO

Descarga atmosféricaUna descarga eléctrica en el aire de la atmósfera puede ocurrir dentro de una misma nube, o de una nube a otra, en este caso la identificamos como intra nube. Si la descarga tiene lugar entre la nube y el suelo toma el nombre de “rayo”. Existe la posibilidad que la descarga ocurra en un sentido o en el otro y que la carga migrante pueda ser positiva o negativa.

Descripción del fenómeno

Descripción del fenómeno

Se define como el número promedio de días al año en los que se presentan tormentas eléctricas. En la práctica se mide como el número de días al año en los que se escuchan descargas atmosféricas.

NIVEL CERÁUNICO

Rangos del nivel ceráunico:

Nivel ceráunico

NIVEL CERÁUNICO CATEGORIA

30 A 50 BAJA

50 A 70 MEDIO

70 A 100 ALTO

MAYOR QUE 100 MUY ALTO

Densidad de rayos a tierra. Se define como el numero promedio de

descargas en un área de un kilometro cuadrado durante un periodo de un año y está relacionada con el nivel ceráunico mediante la siguiente formula:

GFD = 0.12Ni

Donde:GFD: Densidad de rayos a tierra.Ni: Nivel ceráunico.

Nivel ceráunico

Redes de detección de descargas.

Red de sensores dispersos en distintos lugares los cuales detectan las interferencias electromagnéticas generadas por descargas a tierra. Mediante el uso de sistemas de triangulación, sistemas de posición por satélite (GPS).

Nivel ceráunico

Se conoce como apantallamiento de una subestación eléctrica al conjunto de elementos instalados con el objetivo principal de proteger los equipos y elementos de la subestación, contra descargas atmosféricas directas(rayos).

APANTALLAMIENTO

Normalmente se emplean tres tipos de dispositivos con fines de apantallamiento en S/E.

Cables de guarda. Puntas. Mástiles.

DISPOSITIVOS APANTALLADORES

Cables de guarda. son cables ubicados por encima del equipo a

proteger y conectados a la tierra a través de los pórticos de la S/E.

Dispositivos apantalladores

Protegen a lo largo de todo el cable.

Las corrientes del rayo viajarán siempre en las dos direcciones del cable, con lo cual la corriente que debe disipar cada estructura se reduce.

Tiene una presentación muy similar a la de las líneas, por lo cual no contrastan con la S/E.

Dispositivos apantalladores

Puntas Están colocadas sobre los pórticos y requieren

como estructura adicional un castillete.

Dispositivos apantalladores

Tienen tendencia a aumentar la corriente de retorno, con lo cual se hacen atractivas a los rayos.

A medida que el área de S/E aumenta, el apantallamiento con puntas se hace mas costoso que con cables de guarda.

Dispositivos apantalladores

MástilesRequieren estructura propia por lo que

resultan ser los mas costoso.

Dispositivos apantalladores

NTC 4552: Protección contra rayos.NTC 2206: 1986, Electrotecnia. Equipo de conexión y puesta a tierra.NTC 2050: 1998, Código eléctrico colombiano.NTC 4591: 1999, Técnicas de ensayo de alta tensión. Definiciones generales y requisitos de ensayo.NTC 2187: 2000. Conductores de cobre redondos cableado concéntricos compactados.NFPA 780: 1997, Standard for the Instalatión of Lightning Protection Systems.IEC 61024: 1990, Potection of Structures Against Lightning.IEEE 837: 1989, Qualifying Permanent connections Used in substation Grounding.IEEE 1100.UL 96: 1994, UL Standard for Safety lightning Protection Components.

Normas

Sistema analítico para determinar la efectividad de los apantallamientos.

En él se pretende que los objetos a ser protegidos sean menos atractivos a los rayos que los elementos apantalladores, esto se logra determinando la llamada «distancia de descarga» del rayo a un objeto.

MODELO ELECTROGEOMÉTRICO

Modelo electrogeométrico

Este concepto consiste en imaginar una esfera de radio igual a la distancia de descarga, rodando sobre la superficie de la S/E y sobre los objetos de la misma.

El propósito es que los únicos objetos que toque la esfera sean los dispositivos apantalladores.

En la practica, para determinar gráficamente la altura de los dispositivos de protección, se trazan arcos de circunferencia, con radio igual a la distancia de descarga de los objetos a ser protegidos, de tal forma que los arcos sean tangentes a la tierra y a los objetos, o tangentes entre objetos.

Modelo electrogeométrico

la distancia de descarga determina la posición de la estructura apantalladora con respecto al objeto que se quiere proteger, tomando en cuenta la altura de cada uno con respecto a tierra.

El 50% de las empresas utilizan el método electrogeométrico para diseñar el apantallamiento de S/E.

Modelo electrogeométrico

Descripción del modelo EMG

Este método permite seleccionar la altura efectiva del apantallamiento teniendo ya definidas las dimensiones de los pórticos y las alturas de los vanos y barrajes dentro de la S/E.

Modelo electrogeométrico

Distancia de descarga critica La distancia de descarga critica Sm corresponde al ultimo

paso del líder de la descarga atmosférica para la corriente critica.

Donde:Ic: corriente critica de flameo, KAK: coeficiente que tiene en cuenta las diferencias de descarga:a) 1.0 para cables de guardab) 1.2 para mástiles y punta pararrayos.

Modelo electrogeométrico

Corriente critica Ic, es aquella que ocasiona una sobre tensión peligrosa para

el aislamiento. Está dada por la expresión:

(1) o por, (2)

Donde:Z0: impedancia característica del barraje a proteger, ΩBIL: tensión soportada al impulso tipo atmosférico del aislamiento

del equipo, KVCFO: tensión critica de flameo de los aisladores, KV.

Modelo electrogeométrico

La (1) es empleada cuando el apantallamiento protege un barraje soportado por aisladores de poste o equipos. El valor de BIL será el determinado para la instalación según los estudios de coordinación de aislamiento.

La (2) es empleada cuando el apantallamiento protege un barraje soportado por cadenas de platos aisladores. El valor de CFO puede ser estimado por la formula de Anderson (1987):

Donde: CFO: tensión critica de flameo inverso de los aisladores, KVW: longitud de la cadena de aisladores, m.

Modelo electrogeométrico

Impedancia característica

Donde: hav: altura promedio del conductor, mr: radio del cable, mRc: radio corona, m.

Modelo electrogeométrico

Altura promedio

Donde:

hmax: altura de conexión del cable de fase, m

hmin: altura en la mitad del vano, m

Cuando hmin no se conoce puede calcularse empleando la expresión:

Donde:

L: longitud del vano, m

ϖ: constante que relaciona la flecha máxima Yc con la longitud del vano L; 0.02 y 0.06.

Modelo electrogeométrico

Radio coronaSegún el anexo C de la IEEE Std 998 (1996). Para un solo conductor por

fase:

Donde: Rc: radio corona, mhav: altura promedio del conductor, mE0: gradiente de corona limite, se toma igual a 1500KV/mVc: máxima tensión soportada por el aislamiento de los aisladores para

una onda de impulso con polaridad negativa con un frente de onda de 6µs, KV.

Modelo electrogeométrico

la solución de Rc es la siguiente:

En el caso de un haz de conductores por fase el radio corona se calcula como:

Donde: Rc: radio corona para un solo conductor, mR0: radio del haz de conductores, m.

Donde:r: radio del subconductor, ml: distancia entre dos conductores adyacentes, m.

Modelo electrogeométrico

Cable de guardaLa S/E puede apantallarse con cables de

guarda ubicados cada campo o cada dos campos.

Limite práctico para la separación entre cables de guarda adyacentes

El limite practico para la separación entre cables de guarda adyacentes esta dado por:

Modelo electrogeométrico

Mástiles El uso de puntas no es recomendable debido a

las razones expuestas anteriormente. Sin embargo, cuando se haga apreciablemente costoso apantallar con cables de guarda, puede resultar suficientemente seguro el apantallamiento con mástiles.

Método electrogeométrico

Diseño con un solo mástil Para el cálculo de área de protección de un solo

mástil se emplea un procedimiento geométrico en el que se tienen en cuenta la altura del mástil (h), la altura del equipo (d ) y la distancia de descarga critica (o radio de la esfera Sm). Ya que h<Sm.

Donde:h: altura del mástil, mde : altura del equipo a proteger, mx: distancia máxima horizontal desde la punta hasta el objeto

que se desea proteger a una altura de , m.

El circulo con un radio x alrededor de la punta es el área de protección que brinda la punta contra una descarga directa a un objeto ubicado a una altura de.

Diseño con cuatro mástiles Para apantallar un objeto con cuatro mástiles se

asigna inicialmente la altura de los mástiles y luego se determina la máxima separación entre ellos.

Para el calculo de la separación máxima de los mástiles se emplea un procedimiento geométrico en el que se tienen en cuenta la altura de los mástiles h, la altura del equipo de y la distancia de descarga critica (o radio de la esfera Sm).

La separación está dada por las siguientes

ecuaciones:

Cables de guarda cruzados Las configuraciones doble barra en

disposición clásica modificada, para las cuales colocar cables de guarda en el sentido del campo podría resultar costoso debido a que se requiere comprar mástiles adicionales.

Se recomienda cruzar los cables de guarda

entre mástiles colocados estratégicamente entre los campos.

Procedimientos para el diseño1) calculo de la altura promedio de los barrajes,

hav 2) Calculo de la impedancia de impulso del barraje

teniendo en cuenta el radio corona, Z0

3) Calculo de la corriente critica de descarga, Ic4) Calculo de la distancia de descarga critica Sm,

la cual se convierte en el radio de la esfera.

Si se usan cables de guarda:5) Calculo de la altura efectiva del cable de

guarda, he

6) Máxima separación de los cables de guarda, 2dmax

Si se desea usar mástiles se localizan con el siguiente procedimiento:

1. Se asigna una altura inicial del mástil, h2. Calculo del área de protección de un solo

mástil, x3. calculo de la máxima separación de los

mástiles, S

Con esta información los mástiles pueden ser ubicados en la S/E, ajustando su localización hasta obtener el diseño más optimo.

Apantallamiento con cables de guarda Una S/E a 230KV, en el cual el barraje superior está conformado

por cables aislados por cadenas de aisladores soportadas en pórticos.

Ancho de un campo, 2d: 15m Impedancia característica del barraje, Z0: 336Ω Tensión critica de flameo de los aisladores, CFO: 900KV.

Calcular la altura efectiva del cable de guarda considerando:1. Apantallamiento cada campo con dos cables de guarda (d=7,5

m)2. Apantallamiento cada dos campo con dos cables de guarda

(d=15m)

Ejemplos de aplicación

Solución:

Ejemplos de aplicación

Apantallamiento con mástilesUna S/E a 230KV, en el cual el barraje superior está conformado por

tubos soportados con aisladores de poste apoyados en el piso. Altura del barraje, de: 15m Impedancia característica del barraje, Z0:336Ω Tensión soportada al impulso tipo atmosférico de los aisladores

poste, BIL: 900KV.

Calcular la maxima separación para mástiles de 25m de altura h con los que se quiere apantallar un campo:

Ejemplos de aplicación

Solución:

Ejemplos de aplicación

El método EMG apantalla contra el 100% de las descargas que podrían causar flameo.

Se recomienda evitar en lo posible el uso de mástil o mástiles como elemento de apantallamiento en toda la S/E.

Usualmente se utilizan cables de acero galvanizado calibres 3/8” y 7/16” como cable de guarda.

Conclusiones

Anexos

Anexos

Anexos

Anexos

Anexos

Anexos