ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO POR SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFÉRICO EN LA LÍNEA...

8/10/2019 ESTUDIO DE COORDINACIN DE AISLAMIENTO POR SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFRICO EN LA LNEA MAC

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO

ABAD DEL CUSCO

FACULTAD DE INGENIERA: ELCTRICA, ELECTRNICA,

MECNICA Y MINAS.

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERA ELCTRICA.

Tesis para optar al

TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

Presentado por:Br. ALEX RIMAYHUAMAN HUAMANTTICA,

Br. LUIS ALBERTO CURO AYMA.

ASESOR:

ING. DONATO MAMANI PARI

US O PER

2014

ESTUDIO DE COORDINACI N DE AISLAMIENTO PORSOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFRICO EN LALNEA MACHUPICCHU - QUILLABAMBA EN 60 KV.


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i

PRESENTACION

Sr. Decano de la facultad de ingeniera: Elctrica, Electrnica, Mecnica y

Minas.

En cumplimiento con los preceptos que establece la ley de la Universidad

Nacional De San Antonio Abab Del Cusco, Presentamos a su consideracin

nuestro trabajo de tesis Titulado:

ESTUDIO DE COORDINACIN DE AISLAMIENTO POR

SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFRICO EN LA LNEA

MACHUPICCHU - QUILLABAMBA EN 60 KV.

Siendo la electricidad sinnimo de progreso y calidad de vida, en una

sociedad moderna, su ausencia si esta es prolongada, supone

consecuencias no solo econmicas sino tambin sociales por lo que existe

la necesidad de establecer alternativas de solucin para la mejora de los

indicadores de calidad de suministro.

Todo esto conlleva a realizar un estudio del comportamiento de la lnea de

transmisin Machupicchu-Quillabamba, ante las descargas atmosfricas

para estimar la tasa de salidas forzadas por fallas de apantallamiento; y por

consiguiente se podrn plantear estrategias que minimicen esta tasa de

salidas.


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ii

AGRADECIMIENTOS A:

ASESOR Por ser nuestro gua en la elaboracin

de esta tesis de graduacin.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE Por brindarnos la oportunidad de

SAN ANTONIO ABAB DEL CUSCO estudiar en sus aulas universitarias.

CARRERA DE INGENIERIA Por habernos otorgado la dicha de

ELECTRICA ser profesionales, INGENIEROS

ELECTRICISTAS.


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iii

DEDICATORIA

A mis padres, FelipeRimayhuaman Santacruz yPaulina Huamanttica Condori

por sus apoyos incondicionalesy sus consejos, no hay nadaque sea imposible.


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v

RESUMEN

Para una mejor comprensin del desarrollo del presente trabajo,

presento este resumen de los temas que se abordan.

En el primer captulo, se abordan los aspectos genricos en el que se

presentan los objetivos del trabajo, los alcances as como su

justificacin, es decir la motivacin que permita su desarrol lo.

En seguida en el captulo II se abordan los aspectos terico conceptual

que constituyen la base de anlisis de la propuesta formulada en el que

se precisan las caractersticas de los sistemas de elctricos y las de las

descargas atmosfricas, as como las caractersticas operativas de los

mismos.

En el captulo III se describen la metodologa de Apantallamiento de

Lneas de Transmisin, Modelo Electrogeomtrico, Clculo de Tasa de

Salidas, Diseo de Puestas a Tierra, Seleccin de Pararrayos y

Aisladores, tomando en consideracin la normativa especializada.

En el captulo IV se describen las caractersticas operativas de la lnea

Machupicchu - Quillabamba en 60kv. en actual operacin , haciendo

especial nfasis en los parmetros de la descarga atmosfrica y los

equipos ligados a ellos lo que constituye el diagnostico operativo.

En el Captulo V se describe el Modelamiento de la Lnea de

Transmisin con el Software especializado ATP, descripcin del entorno

del programa, Modelamiento de los componentes de la Lnea de

Transmisin en estado actual, Simulacin de escenarios en la Lnea

Equivalente, en distintos escenarios, incorporando una metodologa dela implementacin de Pararrayos de Oxido Metlico por fase.

Un aspecto de mucha importancia en la ingeniera moderna, es la

capacidad de prever el comportamiento mediante diversos medios de

simulacin los mismos que nos permiten disear una alternativa capaz

de constituirse en una solucin al problema planteado, para el caso, el

planteamiento del estudio se aborda en el captulo V, en el que se

presentan los resultados de las simulaciones su correspondienteinterpretacin y sensibilizacin.


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CONTENIDO

INDICE DE GRAFICOS.

INDICE DE TABLAS.

INDICE DE SIMBOLOS.

MATRIZ DE CONSISTENCIA.

CAPITULO I 1

1. GENERALIDADES 1

1.1. AMBITO GEOGRAFICO 1

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 2

1.3. FORMULACION DEL PROBLEMA. 4

1.4. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO. 4

1.5. OBJETIVOS Y ALCANCES 61.5.1. OBJETIVO GENERAL 6

1.5.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 6

1.6. HIPOTESIS 61.6.1. HIPOTESIS GENERAL 6

1.6.2. HIPOSTESIS ESPECIFICAS 7

1.7. VARIABLES E INDICADORES. 71.8. ALCANCES Y LIMITACIONES. 8

1.9. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL. 9

1.10. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION. 11

CAPITULO II 13

2. MARCO TEORICO Y NORMATIVO 13

2.1. ASPECTO NORMATIVO. 13

2.2. DEFINICIONES BASICAS Y GENERALIDADES. 15

2.3. DEFINICIONES DE COORDINACION DE AISLAMIENTO. 172.3.1. FINALIDAD. 17

2.3.2. ANTECEDENES 17

2.3.3. PROCEDIMIENTOS DE COORDINACION DE AISLAMIENTO 18

2.4. SOBRETENSIONES 192.4.1. DEFINICION 19

2.4.2. CLASIFICACIN Y CARACTERSTICAS DE LAS SOBRETENSIONES 19

2.5. NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADO 222.5.1. Aislamiento fase-fase rango I. 22

2.5.2. Aislamiento fase-fase rango II. 22

2.6. ONDAS DE SOBRETENSION Y SU PROPAGACION 25


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vii

2.6.1. PROPAGACIN Y REFLEXIN DE ONDAS 25

2.6.2. NODO DE TRANSICIN. 27

2.6.3. TERMINACIN DE LNEA. 28

2.6.4. PUNTO DE BIFURCACIN. 30

2.6.5. LNEA EN VACIO 312.6.6. LNEA EN CORTOCIRCUITO. 31

2.7. SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFERICAS. 322.7.1. FORMACION DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS. 32

2.7.2. PARMETROS DEL RAYO. 34

2.8. APANTALLAMIENTO EN LINEAS DE TRANSMISION. 392.8.1. DESCARGA A LOS CABLES DE GUARDA 40

2.8.2. DESCARGAS DIRECTAS A LA TORRE DE TRANSMISION 41

2.8.3. DESCARGA EN MEDIO VANO. 41

CAPITULO III 43

3. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION Y SUBESTACIONES. 43

3.1. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION. 433.1.1. INTRODUCCION AL APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRASMISION. 43

3.1.1.1. DISTANCIA CRTICA 44

3.1.2. MODELO ELECTROGEOMETRICO. 46

3.1.2.1. CALCULO DE LAS DISTANCIAS DE EXPOSICION DE LOS CONDUCTORES DE

FASE (Dc) Y CABLES DE GUARDA (Dg) 49

3.1.2.2. INTENSIDAD MAXIMA DE FALLO DE APANTALLAMIENTO 51

3.1.2.3. TASA DE SALIDAS 52

3.1.3. DISEO DE PUESTA A TIERRA. 543.1.3.1. INTRODUCCION. 54

3.1.3.2. CRITERIOS DE DISEO. 55

3.1.3.3. PROCEDIMIENTO DE DISEO 55

3.1.3.4. CONFIGURACIONES A UTILIZAR PARA TORRES DE CELOCIA. 56

3.1.3.5. DETERMINACION DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 59

3.1.4. PARARRAYOS 62

3.1.4.1. PARARRAYOS DE OXIDO DE ZINC SIN EXPLOSORES 62

3.1.4.2. VENTAJAS DE LOS PARARRAYOS ZnO. 63

3.1.4.3. CRITERIOS DE SELECCIN DE PARARRAYOS. 64

3.1.4.4. ELECCION DE LA CORRIENTE NOMINAL. 64

3.1.5. AISLADORES. 693.1.5.1. MATERIALES. 70

3.1.5.2. TIPOS DE AISLADORES. 71

3.1.5.3. CRITERIOS DE SELECCIN DE AISLADORES 72

3.1.5.4. SELECCIN DE AISLADORES 74

3.2. APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES. 753.2.1. INTRODUCCION AL APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES. 75

3.2.2. APANTALLAMIENTO DE SUBESTACIONES CON CABLES DE GUARDA 76

3.2.3. APANTALLAMIENTO DE SUB ESTACIONES MEDIANTE PUNTAS FRANKLIN. 79

3.2.3.1. Una Punta Franklin 79

3.2.3.2. Dos Puntas Franklin. 803.2.3.3. Tres Puntas Franklin. 84


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viii

3.2.3.4. Ms de tres Puntas Franklin. 87

CAPITULO IV. 90

4. DIAGNOSTICO DE LA LINEA 60KV MACHUPICCHU QUILLABAMBA. 90

4.1. GENERALIDADES DE LA LINEA DE TRANSMISION. 90

4.2. DATOS ESTADISTICOS CONSIDERADOS. 91

4.3. DIAGRAMA UNIFILAR DE LA LINEA. 92

4.4. CARACTERSTICAS ELCTRICAS DEL SISTEMA. 92

4.5. CARACTERSTICAS GENERALES DE LA LNEA. 93

4.6. CARACTERSTICAS ESPECFICAS DE LA LINEA. 93

4.7. CARACTERSTICAS DEL EQUIPAMIENTO. 944.7.1. SUBESTACIONES DE TRANSFORMACION. 94

4.7.2. ESTRUCTURAS METLICAS. 974.7.3. CONDUCTORES. 99

4.7.4. CABLE DE GUARDA. 100

4.7.5. AISLADORES. 100

4.7.6. PUESTA A TIERRA. 100

4.7.7. PARARRAYOS. 101

4.7.8. SISTEMA DE PUESTA A TIERRA. 101

4.7.9. CALCULOS DE LOS PARAMETROS ELECTRICOS. 102

4.7.10. RESISTENCIA ELCTRICA. 102

4.7.11. REACTANCIA INDUCTIVA. 102

4.7.12. IMPEDANCIA SERIE UNITARIA. 103

4.7.13. IMPEDANCIA DE SECUENCIA CERO. 1034.7.14. IMPEDANCIA PARALELA UNITARIA. 104

4.7.15. IMPEDANCIA CARACTERSTICA. 104

4.7.16. POTENCIA NATURAL. 105

4.8. EVALUACION DEL NIVEL DE APANTALLAMIENTO DE LA LINEA 6002 MACHUPICCHUQUILLABAMBA. 105

4.9. EVALUACION DEL NIVEL DE APANTALLAMIENTO DE LA SUBESTACION DE LLEGADAURPIPATA EN 60KV. 108

4.9.1. Apantallamiento del transformador de Potencia. 109

4.10. FOTOGRAFIAS DEL ESTADO DE LA LINEA DE TRANSMISION 6002 MACHUPICCHU

QUILLABAMBA. 113

CAPITULO V 116

5. MODELAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION CON EL SOFTWARE ATP 116

5.1. DESCRIPCION DEL ENTORNO DEL PROGRAMA ALTERNATIVE TRANSIENTSPROGRAM, ATP. 116

5.1.1. INTRODUCCION AL PROGRAMA ATP/EMTP. 116

5.1.2. INTEGRACION NUMERICA UTILIZANDO REGLA TRAPEZOIDAL 118

5.1.3. PROGRAMA ALTERNATIVO DE TRANSITORIOS ATP. 118

5.1.4. MODULOS DE SIMULACION INTEGRADA. 121

5.1.5. PROGRAMAS IMPORTANTES DE SOPORTE INTEGRADO. 122


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ix

5.2. MODELAMIENTO DE COMPONENTES EN LINEAS DE ALTA TENSION 1235.2.1. PARAMETRO DE TRAMOS DE LINEA: CONDUCTORES DE FASE Y GUARDA,

MODELADOS CON ATPDRAW. 123

5.2.2. REPRESENTACION DE LAS ESTRUCTURAS DE SOPORTE DE LA LINEA DE

TRANSMISION. 1245.2.3. REPRESENTACION DE AISLADORES 125

5.2.4. REPRESENTACION DE LA PUESTA A TIERRA. 126

5.2.5. REPRESENTACION DE LA DESCARGA ATMOSFERICA. 127

5.2.6. REPRESENTACION DE APARTARRAYOS 128

5.2.7. MODELO EQUIVALENTE EN LA LINEA DE 60 KV EN ATP. 129

5.2.8. ESCENARIOS DE SIMULACION EN LA LINEA EQUIVALENTE DE 60KV CON EL

ATPDRAW. 130

5.2.9. COMPARATIVO DE SOBRETENSIONES Y SOBRECORRIENTES. 137

CONCLUSIONES 141

RECOMENDACIONES 142

BIBLIOGRAFA. 143

ANEXOS. 145


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x

INDICE DE GRAFICOS

CAPITULO I

FIGURA N 1. 1 Mapa de Ubicacin Geogrfica Regional, Provincial, Rutas de Acceso. 1FIGURA N 1. 2 Vista Satelital de la Lnea 6002 Machupicchu Quillabamba, Rutas deAcceso. 2

FIGURA N 1. 3 Descripcin de las Interrupciones ms Representativas en la Lnea 6002Machupicchu Quillabamba. 3

FIGURA N 1. 4 Tasa de Salidas Anuales 20052013 L. de Transmisin hasta 220KV. 4

CAPITULO II

Figura N 2. 1 Lnea con parmetros distribuidos 25

Figura N 2. 2 Relacin entre ondas de tensin y de corriente. 26

Figura N 2. 3 Reflexin y refraccin en un nodo de transicin (interconexin de un cablecon una lnea de transmisin). 27

Figura N 2. 4 Terminacin de lnea. 29

Figura N 2. 5 Punto de bifurcacin 30

Figura N 2. 6 Nube Cumulolimbus 32

Figura N 2. 7 Canal lder negativo y positivo 33

Figura N 2. 8 Clasificacin de las descargas nube-suelo por su polaridad. 34

Figura N 2. 9 Mapa de niveles isoceraunicos del Per 37

Figura N 2. 10 Mapa de niveles Isoceraunicos Regin Cusco 38

Figura N 2. 11 Forma de onda del rayo 39

Figura N 2. 12 Apantallamiento con un solo cable de guarda 40

Figura N 2. 13 Flameo Inverso en una torre con dos cables de guarda 40

Figura N 2. 14 Conduccin de una onda por descarga atmosfrica a medio vano delcable de guarda 42

CAPITULO III

Figura N 3. 1 Distancias crticas del cable de guarda, conductor de fase y tierra 45

Figura N 3. 2 El modelo geomtrico: definicin de ngulos y distancias. 47

Figura N 3. 3 Vista ampliada de la Figura N 3.2 50

Figura N 3. 4 Vista ampliada de la figura N 3.3 50

Figura N 3. 5 Clculo de y 51

Figura N 3. 6 Configuracin Tipo A 56

Figura N 3. 7 Configuracin Tipo B 57


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xi

Figura N 3. 8 TIPO-C 57

Figura N 3. 9 TIPO-D 58

Figura N 3. 10 Configuracin Tipo E 59

Figura N 3. 11 Corte de un Pararrayos de xido de Zinc. 63

Figura N 3. 12 Cadena de aisladores. 71

Figura N 3. 13 Zona de apantallamiento para dos cables de guarda 77

Figura N 3. 14 Zona de apantallamiento acortando la distancia de separacin entrecables 78

Figura N 3. 15 Diagrama de apantallamiento con dos cables de guarda 78

Figura N 3. 16 Apantallamiento fuera de los cables de guarda 79

Figura N 3. 17 Zona de apantallamiento para una nica punta Franklin. 80

Figura N 3. 18 Vista en planta de la zona apantallada por dos puntas Franklin 81

Figura N 3. 19 Esquema del problema de dos puntas Franklin 82

Figura N 3. 20 Zona apantallada para dos puntas Franklin. 83

Figura N 3. 21 Rc es la distancia al punto central 84

Figura N 3. 22 Calculando la distancia Rc 85

Figura N 3. 23 Buscando Ymc 85

Figura N 3. 24 Apantallamiento dentro del tringulo 86

Figura N 3. 25 Vista en planta de la zona de apantallamiento para tres puntas Franklin. 87

Figura N 3. 26 Un caso con cuatro puntas Franklin se puede dividir en dos casos de trespuntas Franklin 87

Figura N 3. 27 Casos especiales de cuatro puntas Franklin 88

Figura N 3. 28 Caso de cuatro puntas Franklin formando un cuadrado. 89

CAPITULO IV

Figura N 4. 1 Vista Satelital de la Lnea 6002 Machupicchu QUillabamba, Rutas deacceso. 90

Figura N 4. 2 Diagrama Unifilar de la Lnea de Transmisin L-6002 (Machupichu

Quillabamba). 92

Figura N 4. 3 Estructura de tipo S, es una estructura de Alineamiento. 98

Figura N 4. 4 Estructura de tipo A, es una estructura de Anclaje. 98

Figura N 4. 5 Estructura de tipo T, es una estructura de Angulo. 99

Figura N 4. 6 Detalle Ensamblaje cadena de aisladores clase ANSI 52-3. 100

Figura N 4. 7 Disposicin geomtrica de las distancias criticas 105

Figura N 4. 8 apantallamiento del transformador de potencia de la subestacin dellegada 60KV intemperie. 112

Figura N 4. 9 En Detalle Estructura tipo T, en la llegada a la Sub Estacin de Urpipata. 113


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xii

Figura N 4. 10 En Detalle Estructura tipo T, en la llegada a la Sub Estacin de Urpipata. 114

Figura N 4. 11 En Detalle Estructura tipo A, de angulo y anclaje. 115

CAPITULO VFigura N 5. 1 Evolucin del clculo de los tiempos de integracin discretos 118

Figura N 5. 2 Modelos utilizados en el simulador ATP-EMTP 119

Figura N 5. 3 Identificacin de elementos que se utilizan en el programa ATP 121

Figura N 5. 4 Modelamiento de parmetros de conductores en ATP. 124

Figura N 5. 5 Silueta cnica 124

Figura N 5. 6 Modelo para representar una estructura 125

Figura N 5. 7 Modelamiento de aisladores 126

Figura N 5. 8 Modelamiento de puesta a tierra. 127

Figura N 5. 9 Modelo de fuente de rayo tipo Hedler. 128

Figura N 5. 10 Modelamiento de apartarrayos ZnO en ATP. 128

Figura N 5. 11 Modelo equivalente de la Linea de 60KV en ATP. 129

Figura N 5. 12 Sobretensiones en el cable de guarda y conductores de fase A,B,C 130

Figura N 5. 13 Sobretensiones en los aisladores fases A,B,C 130

Figura N 5. 14 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A 131

Figura N 5. 15 Sobretensiones en el cable de guarda y conductores de fase A,B,C 132Figura N 5. 16 Sobretensiones en los aisladores fases A,B,C 132

Figura N 5. 17 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A 133

Figura N 5. 18 Flameo inverso en la cadena de aisladores fase A y cable de guardaconsiderando 7 aisladores de suspensin y corriente de rayo 27 KA 134




Figura N 5. 22 Sobretensin en la cadena aisladores considerando pararrayos por cadafase. 136


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INDICE DE TABLAS

CAPITULO I

Tabla N 1. 1 Performance de Lneas de Transmisin hasta 220kv. 4

Tabla N 1. 2 Listado de Interrupciones de la Lnea 6002 60KV . 5

CAPITULO I I

Tabla N 2. 1 Clasificacin de sobretensiones 21

Tabla N 2. 2 Niveles de Aislamiento Rango I, IEC. (1KV


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xiv

Tabla N 5. 4 Tasa de salidas en la lnea de transmisin Machupicchu-Quillabamba porfalla de apantallamiento y flameos inversos. 140


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xv

INDICE DE SIMBOLOS.

SIMBOLO SIGNIFICADO

ANSI American National Standards Institute.

CG Cable de Guarda.

C Capacitancia

CNEE Comisin Nacional de Energa Elctrica

CF Conductor de Fase

Ec Ecuacin

ELSE Electro Sur Este S.A.A.GIS Gas Insulated Substations

Hz Hertzio

L Inductancia

IEEE Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos

IEC International Electrotechnical Commission

KHz Kilohertzio

Km KilmetroKV Kilovoltio

MHz Megahertzio

ND Tasa de cebados directos por cada 100 Km

Ninv Tasa de cebados inversos por cada 100 Km

s Microsegundo

NBI Nivel Bsico de Impulso

% Porcentaje


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GLOSARIO DE TERMINOS.

1. SOBRETENSIONES TEMPORALES. Pueden ser originadas por faltas,

maniobras tales como perdida de carga, condiciones de resonancia,

condiciones no lineales (Ferroresonancia), o por una condicin de estas.

2. SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO. Pueden ser originadas por

faltas, maniobras o descargas directas de rayo sobre los conductores de

lneas areas.

3. SOBRETENSIONES DE FRENTE RAPIDO. Pueden ser originadas por

maniobras, descargas de rayo o fallas.

4. SOBRETENSIONES DE FRENTE MUY RAPIDO. Pueden ser originadaspor faltas o maniobras en las celdas de aislamiento en gas de las

subestaciones.

5. SOBRETENSIONES COMBINADAS. Pueden tener cualquiera de los

orgenes mencionados. Se Producen entre fases de una red (sobretensin

entre fases) o en la misma fase entre partes separadas de una red

(sobretensin longitudinal).

6. RUPTURA DIELECTRICA. provocada por una sobretensin, que daa esel material aislante interno, solido o lquido.

7. CONTORNEO. Cuando se origina una descarga en un aislamiento externo,

es decir a travs del aire.

8. SISTEMA DE TRANSMISION.Conjunto de Instalaciones para la

transformacin y transporte de la energa elctrica con tensiones igual o

superiores a 30KV.

9. SUBESTACIONES.Parte de una red elctrica, concentrada en un lugardado, incluyendo principalmente los terminales de los dispositivos de

control y maniobra, las celdas de las lneas de transmisin o distribucin,

que tambin podra incluir transformadores.

10.LINEA DE TRANSMISION.Dispositivo de apoyos, conductores, ferretera,

aisladores y accesorios para transmitir electricidad a una tensin igual o

superior a 30KV. Entre dos puntos de un sistema.


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11. INTERRUPCION.Segn la norma tcnica Peruana de Calidad de los

servicios elctricos se considera interrupcin a toda falta de suministro

elctrico en un punto de entrega.

12.CIGRE. Consejo Internacional de Grandes Redes Elctricas.

13. IEEE.Instituto de ingenieros Elctricos y Electrnicos, asociacin tcnico-

profesional mundial dedicada a la estandarizacin.

14. IEC.Comisin electrotcnica internacional, asociacin internacional de

estandarizacin internacional.

15.ANSI.Instituto americano nacional de estandarizacin, organizacin

americana de estandarizacin tecnologas en EEUU.


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xviii

MATRIZ DE CONSISTENCIA

DISE O TE RICOPROBLEMA OBJETIVOS HIPTESIS (o Idea a defender) VARIABLE(S)

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

La Lnea de Transmisin Machupicchu-

Quillabamba a lo largo de su recorrido (39.13

Km), atraviesa diferentes zonas geogrficas

sensibles a una alta densidad de descargas

atmosfricas.A causa de las sobretensiones de origen

atmosfrico, se incrementa el nmero de fallas

en la lnea rea, esto se traduce como un

problema de gran magnitud para la cal idad del

servicio elctrico que genera inconvenientes

que perturban a las sociedades de muchas

maneras, debido a que dichas fallas ocasionan

interrupciones del suministro de energa

elctrica por un tiempo considerable.

Todo esto conlleva a realizar un estudio del

comportamiento de la lnea de transmisin

Machupicchu-Quillabamba, ante las descargas

atmosfricas para estimar la tasa de salidas

forzadas por fallas de apantallamiento; y por

consiguiente se podrn plantear estrategias

que minimicen esta tasade salidas.

FORMULACION DEL PROBLEMA.Es necesario establecer una propuesta demejoramiento del aislamiento de la Lnea de

Transmisin Machupicchu-Quillabamba?

OBJETIVO GENERAL

Analizar el efecto de las sobretensiones

transitorias por descargas atmosfricas sobre

la lnea de transmisin Machupicchu-

Quillabamba en 60 KV y plantear alternativaspara minimizar la tasa de salidas por fallas de

aislamiento.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

a. Modelar la lnea area de transmisin

Machupicchu - Quillabamba a travs del

programa ATP Draw (Alternative Transient

Programa), para realizar simulaciones y

predecir posibles fallas de aisl amiento bajo

distintos escenarios.

b. Analizar la influencia de lo s parmetros de

la onda del rayo y los elementos

apantalladores sobre la respuesta de

aislamiento de la lnea de transmisin en

estudio.

c. Evaluar el apantallamiento de la subestacin

de llegada de la lnea 6002.

d. Evaluar el desempeo de la lnea area de

transmisin Machupicchu-Quillabamba en 60

KV, por efecto de descargas atmosfricas

directas.

e. Implementar la metodologa de

coordinacin de aislamiento, en base a la

determinacin de la tasa de salidas, por

sobretensiones transitorias, que permitan

dimensionar y seleccionar el aislamiento de

los componentes elctricos.

HIPOTESIS GENERAL

Es posible garantizar la confiabilidad de la

Lnea Machupicchu Quillabamba frente a las

ondas transitorias de sobre tensin de origen

atmosfrico, a travs de los procedimientos decoordinacin de aislamiento, establecidos por

la normativa especializada.

HIPOTESIS ESPECIFICAS

a. Es posible desarrollar el estudio de la

Coordinacin de Aislamiento a travs de la

modelacin de los parmetros de la lnea que

lograr determinar el nivel adecuado de

aislamiento y que permitir a su vez la

Transmisin confiable de la energa elctrica

en la lnea Machupicchu Quillabamba.

b. Es posible Verificar si la Lnea Machupichu

Quillabamba est logrando un Angulo de

apantallamiento ideal para la proteccin de las

fases de la Lnea de transmisin.

c. En sistemas de transmisin las

sobretensiones por impacto directo de rayos

son ms severas que cuanto el impacto se da

en los alrededores de las estructuras desoporte.

VARIABLES INDEPENDIENTES

Nivel Isocerunico

Densidad de descargas

Amplitud de corriente del rayo

Forma de onda de corriente del rayo

VARIABLES DEPENDIENTES

Sobretensiones transitorias

Sobrecorrientes transitorias

Impedancia caracterstica

Nivel de aislamiento

VARIABLES INTERVINIENTES

Polaridad de la descarga del rayo

Tiempo de frente de onda

Tiempo de baja de onda

Resistividad del terreno.


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xix

DISEO METODOLGICO

METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION BASES TEORICAS CONCLUSIONES

TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION.

Siendo la propuesta correspondiente a una

investigacin bsica esta se enmarca de la siguiente

manera:

Tipo de investigacin : Aplicativo.

Mtodo : Descriptivo evaluativo.

Diseo : Experimental

El mismo que se caracteriza por describir los

fenmenos en forma general sin atender a

explicaciones particulares. Para alcanzar los

objetivos, la investigacin tendr un nivel

descriptivo, por estar orientado a determinar la

relacin entre los parmetros del rayo y la respuesta

de aislamiento de las lneas de transmisin.

Para el desarrollo del presente estudio esnecesario revisar los siguientes conceptos,que sern ampliados los captulos II y III:

Clasificacin de sobretensiones.

Niveles de Aislamiento Normalizados IEC.Teora de ondas viajeras.

Proceso de descarga del rayo.

Parmetros rayo.

Elementos de proteccin contra los rayos.

Desempeo de las lneas de transmisin

frente al impulso atmosfrico.

Modelamiento de componentes elctricos en

ATP.

Metodologa de clculo de tasa de salidas por

fallas de aislamiento

PRIMERO: El programa Alternative Transients Program (ATP)permiti analizar en el dominio del tiempo la influencia defenmenos transitorios externos en la transmisinMachupicchu-Quillabamba; asimismo se evalu la respuesta deaislamiento del cable de guarda, aisladores, puesta a tierrapara distintos escenarios.

SEGUNDO: Del desempeo de aislamiento de la lnea detransmisin para frentes de rayo (1.2/50 s) con intensidadesseveras de 18 a 70 KA e impedancias de puesta a tierra de 15a 25 se concluye que: en cable de guarda se lleg a unrango de 1.2 - 4 MV, la falla de aislamiento por flameo inversose produjo a la intensidad de 24 KA para las estructuras dealineamiento tipo A mientras que con 18 KA se produjo estemismo fenmeno en las estructuras de anclaje y ngulo tipo T

TERCERO: El apantallamiento actual de la subestacin brinda unaprobabilidad muy baja de cebado directo en la posicin deltransformador, no existe probabilidad de falla por cebadoinverso en el mismo, considerando adems el efectoautovlvula y del pararrayo de xido metlicos instalados, laposibilidad de falla por sobretensiones transitorias es nula.

CUARTO: El actual diseo de aislamiento de la Lnea deTransmisin Machupicchu-Quillabamba fue sometido a pruebasde impulso atmosfrico y variacin de parmetros deapantallamiento; los resultados demuestran que la tasa desalidas por fallo de apantallamiento y descargas inversas oflameo inverso es de 11 salidas al ao, lo que es ndicebastante elevado.

QUINTO: Analizado la tabla N 5.4, vemos que incrementando de 6a 10 el nmero de aisladores ANSI 52-3 se logra disminuir la

tasa de salidas a 6 fallos por ao, sin embargo este valor andebe ser mejorado, por lo tanto en base a resultados de latabla N 5.1, se propone un diseo ms adecuado deaislamiento considerando adicionar al actual, equipos depararrayos de lnea por cada fase. Esta opcin ms el diseode la puesta a tierra en 20 permitira un nivel deamortiguamiento para corrientes de rayo mayores a los 70 KAsin producir flameo inverso.


21/175

1

CAPITULO I

1. GENERALIDADES

1.1. AMBITO GEOGRAFICO

El mbito geogrfico del presente estudio se ubica en el departamento de

Cusco, en las provincias de La Convencin y Urubamba. La ruta de lnea

transmisin est entre las coordenadas 124900S, 724700O, zona horaria UT-

5:00 y 130919S, 723122O, zona horariaUT-5:00 segn las cartas del Instituto

Geogrfico Nacional.

FIGURA N 1. 1 Mapa de Ubicacin Geogrfica Regional, Provincial, Rutas de Acceso.

LEGENDACarretera Inter-Provincial :Limite Regional :Lnea 6002, 60KV :


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2

FIGURA N 1. 2 Vista Satelital de la Lnea 6002 Machupicchu Quillabamba, Rutas deAcceso.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

Electro Sur Este S.A.A. es una empresa dedicada a la distribucin y

comercializacin de energa elctrica en zonas de concesin otorgadas porel estado Peruano, as como la generacin y transmisin elctrica en los

sistemas aislados.

Durante el cumplimiento de sus operaciones, Electro Sur Este tiene

diferentes problemas referidos a la coordinacin de aislamiento por

sobretensiones de origen atmosfrico en gran parte del mbito de

concesin; estos problemas se manifiestan con mayor severidad en los

distritos pertenecientes a la provincia de La Convencin, que se

caracterizan por su clima hmedo, grandes precipitaciones pluviales,

accidentada geografa y exposicin a una alta cada de rayos; tal cual

corresponde a las zonas de transicin entre sierra, ceja de selva y selva

respectivamente.

La Lnea de Transmisin Machupicchu-Quillabamba a lo largo de su

recorrido (39.13 Km), atraviesa diferentes zonas geogrficas sensibles a

una alta densidad de descargas atmosfricas.

Santa MaraMaranura

Aguas Calientes

QUILLABAMBA

Carretera Quillabamba CuscoS.E. URPIPATA

Maranura

Santa Teresa

Aguas Calientes

LINEA 60KV MACHUPICCHU QUILLABAMBA

S.E. MACHUPICCHU

LEGENDA

Carretera Inter-Provincial :Lnea 6002 60kv :


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3

Descargas atmosfricas

Fuertes vientos

Contacto entre conductores

Contacto de red con arbol

Otras, por falla en componentes delsistema de potencia

A causa de las sobretensiones de origen atmosfrico, se incrementa

el nmero de fallas en la lnea rea, esto se traduce como un problema de

gran magnitud para la calidad del servicio elctrico que generainconvenientes que perturban a las sociedades de muchas maneras, debido

a que dichas fallas ocasionan interrupciones del suministro de energa

elctrica por un tiempo considerable, el cual se evidencia en las estadsticas

(Desconexiones anuales no Programadas1) obtenidas de la Empresa

Concesionaria.

FIGURA N 1. 3 Descripcin de las Interrupciones ms Representativas en la Lnea 6002Machupicchu Quillabamba.

De acuerdo a las Estadst icas Nac ion a les d e Su perv is in de l

Per fo rm anc e de Lneas de Tran sm is i n de OSINERGMIN2, las

desconexiones anuales entre los aos 2005 2013, tienen un promedio de

31 desconexiones anuales no programadas en lneas de transmisin

pertenecientes a la Gama I (245Kv).

Las estadsticas Internacionales demuestran que el 65% de las

desconexiones no programadas corresponden a desconexiones originadas

por sobretenciones electromagnticas tipo rayo. Todo esto conlleva a

realizar un estudio del comportamiento de los parmetros de la lnea de

transmisin N6002 Machupicchu-Quillabamba, ante las descargas

atmosfricas para estimar la tasa de salidas forzadas por fallas de

apantallamiento; y por consiguiente se podrn plantear estrategias que

minimicen esta tasa de salidas.

1Centro de Control Electro Sur Este S.A.A.2www.Osinergmin.gob.pe/newweb/uploads/GFE/EtadisticasSupervisionElectrica/3/TRANSMISION


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4

41

34

45

29 30

17

25

31

25

0

10

20

30

40

50

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

NdeDesconexiones

Desconexiones en Lineas de Transmision hasta 220kv (frecuencia).

FIGURA N 1. 4 Tasa de Salidas Anuales 20052013 L. de Transmisin hasta 220KV.1.3. FORMULACION DEL PROBLEMA.

Por lo expuesto cabe hacer la siguiente interrogante:

Es necesario establecer una propuesta de mejoramiento del aislamiento de

la Lnea de Transmisin Machupicchu-Quillabamba?

1.4. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO.

De acuerdo a las Estadsticas Supervisin, realizadas por la entidad

fiscalizadora del estado, OSINERMIN entre los aos 2005 al 2013, se tieneun promedio 30 desconexiones no programadas anuales, en lneas de

Transmisin hasta 220KV.

Tabla N 1. 1 Performance de Lneas de Transmisin hasta 220kv.

DESCONEXIONES ANUALES ENLINEAS DE TRANSMISION HASTA 220KV

PERIODO N DESCONEXIONES DURACION (hrs.)

2005 41 31.2

2006 34 114.62007 45 148.52008 29 15.32009 30 42.92010 17 29.32011 25 22.62012 31 492013 25 149.7

Estos valores se reflejan en los Datos obtenidos de la empresa

Concesionaria Electro Sur Este, el cual a travs del procedimiento de


25/175

5

OSINERGMIN, Res o lu ci n N091-2006-OS/SC3, est en la obligacin de

informar los Registros de Desconexiones mayores o iguales a 3 minutos

(D.S. N 020-97-EM4

).

Tabla N 1. 2 Listado de Interrupciones de la Lnea 6002 60KV5.

RESUMEN DE CAUSAS(N de

desconexiones)(%)

INCIDENCIAS

Descargas atmosfricas 25.00 57%Fuertes vientos 9.00 20%Contacto entre conductores 2.00 5%Contacto de red con rbol 2.00 5%Otras, por falla en componentes del sistema de potencia 6.00 14%

En vista de las constantes salidas de la l nea de transmisin

Machupicchu Quillabamba en 60KV por influencia de sobretensiones de

origen atmosfrico, es conveniente realizar el estudio de coordinacin de

aislamiento,

Por lo expuesto anteriormente podemos decir que los distritos de la

provincia de la Convencin tienen un servicio de suministro de energaelctrica de baja calidad por las siguientes razones:

Causas:

Sobretensiones de origen atmosfrico sobre la lnea de

transmisin Machupicchu - Quillabamba en 60 KV

Deficiente coordinacin de aislamiento.

Efectos

Incmodas interrupciones en el suministro de energa.

Deficiente calidad del suministro

3Procedimiento para Supervisin y Fiscalizacin del performance de los Sistemas de Transmisin.

4

Norma Tcnica de Calidad de los servicios Elctricos D.S. N020-97-EM, 6.1.3 Indicadores de Calidad deSuministro.5Anexo 06 Listado de interrupciones, (Centro de Control de Electro Sur Este 01/01/2013 al31/12/2013)


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6

1.5. OBJETIVOS Y ALCANCES

1.5.1. OBJETIVO GENERAL

Analizar el efecto de las sobretensiones transitorias por descargas

atmosfricas sobre la lnea de transmisin Machupicchu-Quillabamba en 60

KV y plantear alternativas para minimizar la tasa de salidas por fallas de

aislamiento.

1.5.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

a. Modelar la lnea area de transmisin Machupicchu -Quillabamba a travs del programa ATP Draw (Alternative

Transient Programa), para realizar simulaciones y predecir

posibles fallas de aislamiento bajo distintos escenarios.

b. Analizar la influencia de los parmetros de la onda del rayo y

los elementos apantalladores sobre la respuesta de

aislamiento de la lnea de transmisin en estudio.

c. Evaluar el apantallamiento de la subestacin de llegada de lalnea 6002.

d. Evaluar el desempeo de la lnea area de transmisin

Machupicchu-Quillabamba en 60 KV, por efecto de descargas

atmosfricas directas.

e. Implementar la metodologa de coordinacin de aislamiento, en

base a la determinacin de la tasa de salidas, por

sobretensiones transitorias, que permitan dimensionar yseleccionar el aislamiento de los componentes elctricos.

1.6. HIPOTESIS

1.6.1. HIPOTESIS GENERAL

Se permitir la confiabilidad de la Lnea Machupicchu Quillabamba frente a las

ondas transitorias de sobre tensin de origen atmosfrico, a travs de los


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7

procedimientos de coordinacin de aislamiento, establecidos por la normativa

especializada.

1.6.2. HIPOSTESIS ESPECIFICAS

a. Es posible desarrollar el estudio de la Coordinacin de

Aislamiento a travs de la modelacin de los parmetros de la

lnea que lograr determinar el nivel adecuado de aislamiento y

que permitir a su vez la Transmisin confiable de la energa

elctrica en la lnea Machupicchu Quillabamba.

b. Es posible Verificar si la Lnea Machupichu Quillabamba est

logrando un Angulo de apantallamiento ideal para la proteccin

de las fases de la Lnea de transmisin.

c. En sistemas de transmisin las sobretensiones por impacto

directo de rayos son ms severas que cuanto el impacto se da

en los alrededores de las estructuras de soporte.

1.7. VARIABLES E INDICADORES.

1.7.1. VARIABLES INDEPENDIENTES.

Nivel Isocerunico (TD).Nmero de das al ao de tormentas

con rayos.

Densidad de descargas (NG). Numero de Descargas nube

Tierra en un rea de 1Km en un Ao.

Amplitud de corriente del rayo P(I). Probabilidad de que lacorriente pico de una descarga atmosfrica sea excedida.

Forma de onda de corriente del rayo (IEC 1.2/50s). Onda

IEC de Impulso completo con un tiempo frontal: 1.2s y tiempo

de valor medio de 50s.


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8

1.7.2. VARIABLES DEPENDIENTES.

Sobretensiones transitorias. Solicitaciones de tensin muy

elevadas (KV) de muy corta duracin (s).

Sobrecorrientes transitorias. Solicitaciones de corriente muy

elevadas (KA) de muy corta duracin (s).

Impedancia caracterstica. modelos de lneas de transmisin

distribuidos constantes Modelo Bergeron.

Nivel de aislamiento. Niveles normalizados IEC 60071-1,

rango I (1kv


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9

en 60 KV, con ayuda del programa ATP; en este trabajo se

experimentara el modelo recomendado equivalente por la

normativa y publicaciones especializadas, que permita simularlos elementos fsicos involucrados durante el proceso de una

descarga atmosfrica.

Se utilizara el modelo implementado para realizar simulaciones

aplicadas a la lnea de transmisin MachupicchuQuillabamba

1.8.2. LIMITACIONES

El mtodo presentado para el clculo de problemas de

aislamiento es solo aplicable para lneas de transmisin.

El mtodo computacional propuesto se puede utilizar para el

clculo de problemas de aislamiento para lneas areas de

media y alta tensin.

1.9. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL.

1.9.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION.

Anlisis Transitorio y Coordinacin de Aislamiento para el

Sistema Regional del Cusco, presentado por Mijal Carrasco

Gamarra en 1985, para optar al Ttulo Profesional de Ingeniero

Electricista de la FIEEMM de la UNSAAC, quien utiliz el

programa informtico EMPT (Electromagnetic Transients

Program), para calcular las sobretensiones tanto de maniobra

como temporales. Las simulaciones digitales se realizaron en el

centro de cmputo de la empresa ELECTROPER S.A.(Lima)

Anlisis de Transitorio Electromagntico de la lnea 22.9 KV

Quencoro - Paruro; presentado por Vicher Luna Quispe y

Rolando Ovalle Quispe en 2007; trabajo de investigacin para

optar al Ttulo Profesional de Ingeniero Electricista de la


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10

FIEEMM de la UNSAAC, que propone la fuente de doble rampa

o triangular para representar el fenmeno rayo, y se utiliza el

Modelo ATP propuesto por el Dr. Juan Martnez Velazco de laUniversidad de Catalua Espaa para el clculo del nmero de

salidas en sistemas elctricos en media tensin.

Estudio de Coordinacin de Aislamiento de la Lnea de

Transmisin San Gabn Mazuco - Puerto Maldonado; trabajo

de investigacin presentado por Csar Becerra Pea y Roberto

Horqque Latorre en 2008, para optar al Ttulo Profesional de

Ingeniero Electricista de la FIEEMM de la UNSAAC, en el cual

se desarroll mdulos de programacin en ATP y lenguaje

Fortran para simular los arcos elctricos en aisladores debido a

las descargas retroactivas por influencia del rayo y elevados

niveles isoceranicos superiores a los 80 das de tormenta al

ao en zonas de Selva.

1.9.2. BASES TEORICAS

Para el desarrollo del presente estudio es necesario revisar los siguientes

conceptos, que sern ampliados en el captulo II y capitulo III:

Clasificacin de sobretensiones.

Niveles de Aislamiento Normalizados IEC.

Teora de ondas viajeras.

Proceso de descarga del rayo.3

Parmetros rayo.

Elementos de proteccin contra los rayos.

Desempeo de las lneas de transmisin frente al impulso

atmosfrico.

Modelamiento de componentes elctricos en ATP.

Metodologa de clculo de tasa de salidas por fallas de aislamiento.


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11

1.10. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION.

1.10.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION.

Siendo la propuesta correspondiente a una investigacin bsica esta se

enmarca de la siguiente manera:

Tipo de investigacin : Aplicativo.

Mtodo : Descriptivoevaluativo.

Diseo : Experimental

El mismo que se caracteriza por describir los fenmenos en forma generalsin atender a explicaciones particulares. Para alcanzar los objetivos, la

investigacin tendr un nivel descriptivo, por estar orientado a determinar la

relacin entre los parmetros del rayo y la respuesta de aislamiento de las

lneas de transmisin.

1.10.2. POBLACION Y MUESTRA.

1.10.2.1. POBLACION.

La Empresa Electro Sur Este S.A.A. (ELSE), es una empresa dedicada a la

Distribucin de Energa Elctrica que se encuentra ubicada en el Sur Este

del Per, teniendo un rea de influencia en las regiones de Cusco,

Apurmac, Madre de Dios y la provincia de Sucre de la regin Ayacucho

respectivamente.

1.10.2.2. MUESTRA.

Lnea de alta tensin 6002 MachupicchuQuillabamba en 60 KV; se tomar

en cuenta para el presente estudio los datos y reportes histricos sobre las

causas ms frecuentes de interrupcin en el periodo actual de operacin:

01/01/201331/12/2013.

Estadsticas Nacionales de supervisin de OSINERGMIN, Performance de

Lneas de Transmisin hasta 220kv, considerando los aos 2005 al 2013.


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12

1.10.3. TECNICAS E INSTRUMENTOS DE INVESTIGACION.

Para la obtencin de la informacin necesaria se adopta la tcnica de observacin

cientfica y de anlisis de contenido.

La tcnica de observacin se realiza de forma sistemtica, tal es que:

Primero se ha obtenido la informacin de la base de datos de laempresa propietaria de la lnea.

Para la verificacin y actualizacin de datos se ha realizado untrabajo contrastacin en base a reportes publicados por el COES.

1.10.4. FUENTES DE INFORMACION Y RECOLECCION DE DATOS.

Las fuentes de datos fueron proporcionadas por la empresa Electro Sur Este

S.A.A, entre ellas: Geometra de la lnea, tipos de Estructuras, Niveles de

Tensin, Nmero de Aisladores y reportes del sistema SCADA.

Estadsticas de supervisin Osinergmin, supervisin de los sistemas

de transmisin. Con fecha al 31/diciembre del 2013

1.10.5. PROCESAMIENTO Y PRESENTACION DE LA INFORMACION.

El clculo de las sobretensiones en rgimen transitorio se obtendr

mediante simulaciones digitales, utilizando el programa informtico para

anlisis de fenmenos transitorios ATP Alternative Transients Program

versin 5.6

Se utilizaran tcnicas tales como: normativa especializada, consultasbibliogrficas, datos de equipos, datos experimentales, mtodos empricos,

investigacin documental de eventos y normatividad aplicable a nuestro

pas.


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13

CAPITULO II

2. MARCO TEORICO Y NORMATIVO

2.1. ASPECTO NORMATIVO.

En este captulo se describen las bases para la seleccin de los niveles de

aislamiento de las lneas de alta tensin y subestaciones de acuerdo a las

referencias tcnicas internacionales reconocidas como son la IEEE/ANSI e

IEC que son las ms importantes y sus recomendaciones se consideran

estndar a nivel mundial.

As tambin se describen la normativa peruana en referencia al organismo

supervisor de las inversiones en energa del estado.

2.1.1. Normativa ANSI/IEEE.

Son dos referencias Bsicas que se consideran en el proceso de

coordinacin de aislamiento de acuerdo a la Normativa IEEE, las cuales se

resumen a continuacin:

IEEE std 1313.1-1996, IEEE Standard for insulation, definitions,

principles and Rules, la norma presenta el procedimiento para la

seleccin de las tensiones de soportabilidad para el

equipamiento y define la lista de Niveles de Aislamiento

estndares.

IEEE Std 1313.2-1996, IEEE guide for the application of

insulation coordination, la norma muestra el procedimiento de


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14

clculo del aislamiento, establece criterios y describe las

sobretensiones tpicas que se encuentran en las instalaciones.

IEEE Std C62.22-1997 Guide for the Application of Metal-OxideSurge Arresters for Alternating-Current Systems, Muestra el

procedimiento de aplicacin de Descargadores de Oxido

metlico en sistemas de corriente alterna.

2.1.2. Normativa IEC.

La normativa IEC es actualmente la ms difundida, son dos normas las que

definen el procedimiento de coordinacin de aislamiento, adicionalmente seconsideran recomendaciones referentes a los equipos de alta tensin,

seleccin de descargadores.

IEC Std 60071-1 Definitions, principles and rules, establecida

por la IEC para la coordinacin del aislamiento en instalaciones

de corriente alterna en alta y extra alta tensin.

IEC Std 60071-1 Application guide, gua de aplicacin para lacoordinacin de aislamiento en instalaciones de Alta y Extra alta

tensin.

IEC 60694 RTGF Common specifications for high-voltage

switchgear and controlgear standards, Clusulas comunes para

equipos de Alta Tensin.

IEC Std 60099-4 Metal-Oxide surge arrester without gaps for

a.c. systems, Norma Internacional para especificar y ensayar

pararrayos de xido metlico sin explosores.

2.1.3. Normativa peruana de supervisin de los sistemas de

transmisin.

La supervisin y fiscalizacin de las instalaciones de transmisin son

efectuadas por OSINERGMIN, cuyas atribuciones y acciones para el

desarrollo de estas funciones estn normados por:


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15

Decreto Supremo N 020-97-EM, Norma Tcnica de Calidad de los

servicios.

Resolucin N 091-2006-OS/CD, Procedimiento para Supervisin yfiscalizacin del performance de los sistemas de transmisin.

Decreto Ley N 25844 - Ley de Concesiones Elctricas y sus

modificaciones.

Reglamento de Supervisin de las Actividades Energticas y

Mineras de OSINERGMIN, aprobado por Resolucin de Consejo

Directivo N 324- 2007- OS/ CD.

Cdigo Nacional de Electricidad- Suministro 2001, aprobado conResolucin Ministerial N 366-2001-EM/VME.

La supervisin de los sistemas de transmisin, se efecta segn lo

dispuesto por Resolucin N 091- 2006-OS/CD y su modificacin efectuada

por Resolucin N 656-2008-OS/CD, que establece que los indicadores se

calculan en funcin a las desconexiones de las lneas de transmisin y

transformadores, que ocasionen interrupciones de suministro elctrico

mayores de 3 minutos.

2.2. DEFINICIONES BASICAS Y GENERALIDADES.

Los siguientes son los trminos y definiciones ms utilizadas en este

captulo:

Coordinacin de aislamiento: Es la seleccin de la rigidez dielctrica de

un equipo en relacin con las tensiones que pueden aparecer en el sistemaen el cual el equipo operar tomando en cuenta las condiciones de servicio

y las caractersticas de los equipos de proteccin contra sobretensiones

disponibles.

Aislamiento Elctrico: adopcin de la fuerza de sostenimiento de un

aislante, con criterio probalstico de cumplimiento dentro de un margen de

confianza.

Aislamiento Externo: Son las distancias en el aire y las superficies encontacto con el aire del aislamiento slido de los equipos, que estn sujetos


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16

a los esfuerzos dielctricos y a los efectos atmosfricos y otras condiciones

externas, tales como contaminacin, humedad, etc.

Aislamiento Interno: Son las partes internas slidas, liquidas o gaseosasdel aislamiento del equipo, las cuales estn protegidas de los efectos

atmosfricos y otras condiciones externas.

Aislamiento auto-regenerativo: El aislamiento que recobra completamente

sus propiedades de aislamiento despus de una descarga disruptiva.

Aislamiento no auto-regenerativo: El aislamiento que pierde sus

propiedades de aislamiento, o no las recobra completamente, despus de

una descarga disruptiva.Tensin Nominal de una Red: Valor aproximado adecuado de la tensin

utilizada para designar o identificar una red.

Tensin ms Elevada de una Red: Valor mximo de tensin que se

presenta en un instante y en un punto cualquiera de la red en condiciones

de funcionamiento normales.

Tensin ms Elevada para el Material (Um): Valor eficaz mximo de la

tensin entre fases para el cual est especificado el material en relacin a

su aislamiento as como a algunas otras caractersticas que estn

provisionalmente conectadas a esta tensin en las normas propuestas para

cada material.

Tensin Permanente (a frecuencia industrial): Tensin a la frecuencia de

la red, considerada como que tiene un valor eficaz constante, aplicada

permanentemente a cualquier par de bornes de una configuracin de

aislamiento.

Sobretensin temporal: Sobretensin a frecuencia industrial de duracin

relativamente larga.

Sobretensin transitoria: Sobretensin de corta duracin, que no

sobrepasa de unos milisegundos, oscilatoria o no, generalmente

fuertemente amortiguada.

Sobretensiones de frente lento : Sobretensin transitoria, generalmente

unidireccional, de duracin Tp hasta el valor de cresta tal que

20Tp5,000s; y de duracin de cola T220ms.


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17

Sobretensiones de frente rpido: Sobretensin transitoria, generalmente

unidireccional, de duracin T1 hasta el valor de cresta tal que

0,1sT20s y de duracin de cola T2300s.Sobretensiones de frente muy rpido: Sobretensin transitoria,

generalmente unidireccional, de duracin T1 hasta el valor de cresta tal que

T0.1s y de duracin total 300ms y con oscilaciones superpuestas de

frecuencia 30 KHzf 100 MHz.

Tensin Normalizada de impulso tipo rayo : Una tensin de impulso que

tenga un tiempo de frente de 1,2s y un tiempo hasta la mitad del valor de

50s.

2.3. DEFINICIONES DE COORDINACION DE AISLAMIENTO.

2.3.1. FINALIDAD.

La coordinacin de aislamiento tiene como finalidad la determinacin de los

niveles de aislamiento necesarios en los equipos de una instalacin

elctrica, de manera que estos puedan soportar las exigencias dielctricas a

las que sern sometidos, tanto en servicio normal como en presencia de las

sobretensiones que puedan originarse en la red.

2.3.2. ANTECEDENES

Antes de 1920 el dimensionamiento de los aislamientos se realizaba de una

forma puramente emprica, exigiendo a los materiales que soportaran una

tensin a frecuencia industrial de un valor igual al producto de la tensin deservicio por un cierto coeficiente de seguridad elegido segn la experiencia

en instalaciones anteriores.

La aparicin de redes con tensin nominal superior a 100 KV exigi

una mayor racionalizacin del problema, por lo que introdujeron los ensayos

de impulso, al comprobarse que los aislamientos no podan clasificarse

nicamente por su capacidad para soportar las exigencias a frecuencia

industrial, es en se momento que se origina el trmino Coordinacin de


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18

Aislamiento, que en la actualidad se refiere al dimensionamiento de los

aislamientos de acuerdo con los materiales empleados, las caractersticas

de las exigencias dielctricas y los elementos de proteccin utilizados contralas sobretensiones.

En la actualidad se disponen de medios tcnicos ms sofisticados

cuyo empleo permite una mejor determinacin de las sobretensiones que

pueden aparecer en las instalaciones, e incluso, para algunos tipos de

sobretensiones, su valoracin estadstica. Estos pasos se realizan

generalmente mediante computador digital y empleando herramientas de

clculo especializadas.

2.3.3. PROCEDIMIENTOS DE COORDINACION DE AISLAMIENTO

El nivel de aislamiento de un componente o un conjunto de componentes

debe ser seleccionado de forma que cumpla un criterio de comportamiento

expresado generalmente en tasa de fallos por ao. A partir de ese criterio y

del clculo de sobretensiones ser posible determinar la tensin soportada

de aislamiento. Bsicamente se pueden diferenciar dos tipos deprocedimiento:

a. Estadstico:El clculo repetitivo de sobretensiones cambiando

las condiciones de operacin en cada simulacin, segn una

determinada ley de variacin para todos o algunos parmetros y

variables que interviene en el proceso, permitir evaluar la

distribucin de probabilidad de las sobretensiones: La

aplicacin de este tipo de procedimiento posibilita el clculo dela frecuencia de fallos en funcin de los factores de diseo

seleccionados y una optimizacin de nivel de aislamiento.

b. Determinstico:Este tipo es aplicado cuando no se dispone de

la informacin necesaria para un procedimiento estadstico, lo

cual no permite el clculo de la tasa de fallos del equipo en

servicio. En la prctica es muy comn el empleo de un mtodo

simplificado en el que se desprecia la variacin estadstica dealgunos primeros o variables.


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19

El clculo estadstico de sobretensiones es fundamental para evaluar

con rigor la tasa de fallos de los equipos. Las prestaciones que un programa

de clculo numrico requiere para poder realizar este tipo de procedimientosson bsicamente tres:

Una opcin que permita repetir la simulacin del proceso

transitorio que origina la sobretensin tantas veces como sea

necesario.

Una opcin que permita cambiar en cada simulacin todos los

parmetros que sean necesarios, de acuerdo con una ley de

variacin estadstica.

Una opcin que permita determinar la funcin de densidad de

probabilidad de sobretensiones, de acuerdo con los resultados

obtenidos en las simulaciones.

2.4. SOBRETENSIONES

2.4.1. DEFINICION

Una sobretensin es una perturbacin variable en el tiempo cuyo mximo valor es

superior al valor pico de la tensin nominal del sistema en estudio. El clculo de

este fenmeno es de vital importancia en el diseo de sistemas elctricos de

energa, ya que son estas las exigencias que sirven para seleccionar el nivel de

aislamiento y las protecciones de los equipos. En la actualidad el clculo de las

perturbaciones se realiza generalmente con un computador. Existen varias

razones que justifican la simulacin digital entre ellas: el tamao de la red a

simular, la complejidad de los modelos matemticos que se han de emplear y el

ahorro en tiempo que puede suponer un clculo preciso y riguroso.

2.4.2. CLASIFICACIN Y CARACTERSTICAS DE LAS

SOBRETENSIONES

La norma IEC 60071-1 clasifica los esfuerzos a los cuales sern sometidos los

equipos por parmetros apropiados tales como la duracin de las tensiones a


40/175

20

frecuencia industrial o la forma de onda de una sobretensin, en funcin de su

efecto sobre el aislamiento o sobre el equipo de proteccin.

Estos esfuerzos se pueden distinguir en las siguientes categoras:

a. Tensiones Permanentes a Frecuencia Industrial:Originadas por

la operacin del sistema en condiciones normales.

b. Sobretensiones Temporales: Son de larga duracin (varios

milisegundos a varios segundos), poco amortiguadas y de frecuencia

igual o prxima a la frecuencia de operacin.

c. Sobretensiones de Frente Lento: Son de corta duracin (pocosmilisegundos), fuertemente amortiguadas y se presentan con una

gama de frecuencias que vara entre 2 y 20 MHz.

d. Sobretensiones de Frente Rpido: Se originan por descargas

atmosfricas directas sobre los conductores de fase o por descargas

retroactivas. Su rango de frecuencia vara de 10 KHz - 3 MHz.

e. Sobretensiones de Frente muy Rpido:Dependiendo del origen

pueden ser oscilatorias o unidireccionales, su duracin es de pocosmicrosegundos y su frecuencia es generalmente varia de 100 KHz a

50 MHz.


41/175

21

Tabla N 2. 1 Clasificacin de sobretensiones

Tabla2.1

Formasde

ondadesobretensionesnormalizadassegnIEC-6007

1-1


42/175

22

2.5. NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADO

Las tensiones normalizadas de soportabilidad estn asociadas con la tensin

mxima para equipos de acuerdo con la tabla N 2.2

A continuacin se describen los niveles de aislamiento normalizados para

IEC, de acuerdo con la clasificacin por el nivel de tensin asignado y con las

siguientes clasificaciones para aislamiento fase-fase y aislamiento longitudinal:

Para sistemas con tensiones comparativamente bajas ha sido posible

normalizar nicamente unos pocos niveles de aislamiento, en algunos casos slo

un valor para cada sistema de tensin, debido a que estos sistemas estn bien

establecidos y que se dispone de una gran cantidad de experiencias en el

comportamiento del sistema y el costo del aislamiento es comparativamente bajo

Para sistemas de tensiones ms altas se ha incluido un gran nmero de

niveles de aislamiento para un diseo econmico, parcialmente debido a que

estas tensiones son aplicadas tanto a sistemas grandes y bien establecidos como

a sistemas pequeos y recientemente constituidas. El costo de aislamiento es

tambin un factor importante.

2.5.1. Aislamiento fase-fase rango I.

Las tensiones fase-fase de soportabilidad a frecuencia industrial de corta duracin

e impulso atmosfrico son iguales a las tensiones de soportabilidad fase-tierra

respectivas (Tabla N 2.2).

Los valores en parntesis, sin embargo, pueden ser insuficientes para

probar que las tensiones de soportabilidad requeridas se cumplen y podra ser

necesario realizar pruebas de soportabilidad fase-fase adicionales.

2.5.2. Aislamiento fase-fase rango II.

La tensin de soportabilidad normalizada al impulso atmosfrico es igual al

impulso atmosfrico fase-tierra.


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23

Tabla N 2. 2 Niveles de Aislamiento Rango I, IEC. (1KV


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45/175

25

2.6. ONDAS DE SOBRETENSION Y SU PROPAGACION

Las ondas de sobretensin que se propagan por las lneas de transmisin y

distribucin son originadas por descargas atmosfricas o maniobras de conexiny desconexin de equipos. Estas sobretensiones pueden ser de corta duracin

con respecto a las longitudes elctricas de las lneas por las que viajan, por lo que

es necesario tomar en cuenta el tiempo de propagacin de las ondas. Las lneas

de transmisin tienen caractersticas distribuidas de resistencia, inductancia y

capacitancia, tal como los de la Figura N 2.1

Una onda de sobretensin debida a alguna descarga atmosfrica o

maniobra aplicada en un extremo del circuito cargar al primer capacitorrpidamente sin embargo, la presencia de la primera inductancia del circuito

impedir que el segundo capacitor se cargue de manera simultnea con la

primera inductancia, continuando con el fenmeno a los largo de la lnea.

Una onda de corriente acompaada siempre de onda de sobretensin

viajar de la misma forma y se relaciona por medio de una impedancia conocida

como Impedancia Caracterstica como sigue:

(2.1)

Las ondas se propagan con una velocidad igual a:

(2.2)

Figura N 2. 1 Lnea con parmetros distribuidos

2.6.1. PROPAGACIN Y REFLEXIN DE ONDAS

La relacin entre ondas de tensin y de corriente es la impedancia caracterstica

de la lnea, siendo esta relacin positiva para las ondas que se desplazan en un

sentido, y negativa para las ondas que se desplazan en sentido contrario (ver


46/175

26

Figura N 2.2). La existencia de ondas que se propagan en ambos sentidos es

debida a los puntos de discontinuidad que puede haber en una lnea. El principio

fsico de este fenmeno puede resumirse de la siguiente forma:

a. Cuando una lnea es energizada se inicia la propagacin de una

onda de tensin y de una onda de corriente, estando ambas

relacionadas por la impedancia caracterstica.

b. La propagacin de ambas ondas se realiza sin distorsin ni

atenuacin, y solo sufrir un cambio cuando se encuentre una

discontinuidad en el medio de propagacin.

c. Cuando una onda de tensin, o de corriente, se encuentra con un

medio de caractersticas distintas a las del medio inicial de

propagacin, se origina una nueva onda, conocida como onda

reflejada, que se superpone a la onda incidente.

v

-

+

Sentido de Propagacin

v

-

+

Sentido de Propagacin

vd

id

V =Z .d c di

vi

iiVi=-Z .c ii

Figura N 2. 2 Relacin entre ondas de tensin y de corriente.

Un cambio en el medio de propagacin puede producirse en muchas

situaciones, tales como: cambio de valor de la impedancia caracterstica del

medio (punto de transicin), terminacin de la lnea, y punto de bifurcacin. El

clculo de las ondas que se originan como consecuencia de una discontinuidad

se realizar con los siguientes casos.


47/175

27

2.6.2. NODO DE TRANSICIN.

En la Figura N 2.3 se ilustra un nodo de transicin, el cual conecta dos lneas

con distinta impedancia caracterstica . Por la lnea 1 se propaga una

onda viajera hacia la lnea 2.

Zc1

vd , id

Zc2

Figura N 2. 3 Reflexin y refraccin en un nodo de transicin (interconexin de uncable con una lnea de transmisin).

Cuando la onda incidente alcanza el punto de transicin, tiene lugar

un cambio en el medio de propagacin, y se origina una onda reflejada ,

que se propagar por la lnea 1 en sentido contrario al de la onda incidente, y una

onda refractada , que se propagar por la lnea 2. La relacin entre ondas

de tensin y de corriente se puede anotar de la siguiente forma:

Teniendo en cuenta que

Se deduce

Siendo


48/175

28

Donde es el coeficiente de reflexin y el coeficiente de refraccin o

transmisin en el punto de discontinuidad.Por lo que respecta a la intensidad de corriente, se obtiene:

Conviene tener en cuenta que en este caso la onda incidente tambin podra

propagarse originalmente por la lnea 2 hacia la lnea 1. En ese caso la expresin

del coeficiente de reflexin seria la opuesta de la anterior, es decir:

Se puede observar que el clculo de los coeficientes de reflexin sigue una ley

muy simple. Cuando una onda incidente alcanza un punto de discontinuidad, el

coeficiente de reflexin se obtiene a partir de la relacin entre la diferencia y la

suma de impedancias equivalentes, colocando en primer lugar en ambas

expresiones la impedancia equivalente de la red en la que incide la onda viajera,vista desde el punto de discontinuidad.

2.6.3. TERMINACIN DE LNEA.

La Figura 2.4 muestra el caso que se puede analizar. Se tiene una lnea ideal por

la que se propaga una onda incidente, que alcanza el extremo en el que se ha

instalado una resistencia.


49/175

29

Rf

vd ,

vf

-

+

idIf

.

.

Figura N 2. 4 Terminacin de lnea.

En final de lnea se tienen las siguientes relaciones entre las ondas de

tensin y de corriente:

Donde los subndices se usan para designar ondas incidentes, reflejadas y

en final de lnea, respectivamente.

Por otra parte, las ondas de tensin y de corriente estn relacionadas segn las

siguientes expresiones:

Que sustituidas en las anteriores expresiones permiten obtener:

Siendo

El coeficiente de reflexin de ondas en final de lnea.

Las ondas de tensin y corriente en final de lnea son el resultado de sumar las

ondas incidentes y reflejadas. Si se tiene en cuenta la relacin entre ambas

resulta:


50/175

30

2.6.4. PUNTO DE BIFURCACIN.

El anlisis del caso de la Figura N 2.5 es similar al de los casos anteriores. Los

coeficientes de reflexin y de transmisin se obtienen a partir de: la impedancia

equivalente que ve la onda incidente cuando alcanza un punto de discontinuidad,

y de la impedancia caracterstica del medio en el que se propaga6.

Los coeficientes de reflexin y de transmisin para una onda que se propaga por

la lnea 2 cuando alcanza el punto de discontinuidad, sern:

Zc1

Zc2

Zc3

.

.

Figura N 2. 5 Punto de bifurcacin

Coeficiente de reflexin.

(2.14)

Coeficiente de transmisin.

Siendo la impedancia equivalente que resulta del paralelo entre .

Entonces, la onda de tensin que se refleja en la lnea 2 y que se propaga en

sentido opuesto a la onda incidente, y las ondas de tensin transmitidas a las

lneas 1 y 3, vienen relacionadas con la onda de tensin incidente segn las

siguientes relaciones:

6Gmez, E.M.: Anlisis y Operacin de Sistemas de Energa Elctrica, McGraw-Hill, 1ra edicin, pp. 401-404


51/175

31

De todos los posibles coeficientes de reflexin interesan algunos casos

particulares, como los tres que se presentan a continuacin.

2.6.5. LNEA EN VACIO

La onda incidente que alcanza un terminal de lnea en circuito abierto o en vaco

se encuentra con una impedancia de valor infinito, por lo que de la formula

general (2.8) se obtiene:

En consecuencia, con una lnea en vaco se obtiene:

De donde se deduce:

Segn estos resultados, cuando una onda alcanza un terminal de lnea en

circuito abierto, la onda de tensin incidente se dobla, lo que puede originarsobretensiones importantes, mientras que la onda de corriente se anula, como era

lgico de esperar.

2.6.6. LNEA EN CORTOCIRCUITO.

La onda incidente que alcanza un terminal de lnea en cortocircuito se encuentra

con una impedancia de valor nulo, por lo que, de la formula general (2.8) se tiene:

Con una lnea en cortocircuito resulta por lo tanto:

De donde se deduce:

Segn estos resultados, cuando una onda alcanza un terminal de lnea encortocircuito la onda de corriente incidente se dobla, lo que puede originar


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32

sobrecorrientes importantes, mientras que la onda de tensin se anula, como era

lgico de esperar.

2.7. SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFERICAS.

Las tormentas elctricas ocurren siempre que hay una separacin de carga

elctrica en gran escala en la atmosfera.

La descarga atmosfrica (rayo) es un destello de luminoso en el cielo que

proviene de una nube tipo cumulolimbus durante una tormenta. El fenmeno se

debe a la cantidad de carga elctrica de diferente polaridad almacenada en

diferentes partes de dicha nube. Ver figura N 2.6

Figura N 2. 6 Nube Cumulolimbus

Estas nubes son un cmulo extremadamente denso que se desarrolla de

forma vertical y con un extremo superior en forma de glacial. Se extiende por

ms de 40 Km y as se forman tormentas.

2.7.1. FORMACION DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS.

Cuando las partculas de agua empiezan a interactuar por los efectos del viento

en una nube cumulolimbus estas empiezan a colisionar, se fracturan se separan

baja la influencia de corrientes ascendentes y la fuerza de la gravedad provoca

que se acumulen en la parte inferior de la nube granizo y copos de nieve

cargados elctricamente, y as las partculas ms ligeras de cristales de hielo y


53/175

33

gotas de agua sper congeladas cargadas positivamente se acumulan en la parte

superior de la nube; esta separacin de carga produce un campo elctrico dentro

de la nube y en las regiones de la nube con carga de polaridad opuesta.Una vez que el campo elctrico alcanza una rigidez dielctrica crtica ocurre una

descarga formndose un canal lder que es un canal sper caliente por el cual

viajan electrones de la nube a tierra, este canal lder comienza en la base de la

nube, cambia su direccin en intervalos; conforme el canal lder se acerca a tierra

se empieza a formar un canal lder positivo, este lder es originado desde tierra a

la nube y viaja hasta encontrarse con el canal lder negativo proveniente de la

nube (Figura N 2.7).El lder negativo y el lder positivo se conectan, en ese momento electrones de

carga negativa fluyen de la nube a tierra (carga positiva), esta descarga es

conocida como descarga o rayo de retorno.

La cantidad de carga negativa disponible en la nube determina la cantidad de

carga positiva de la carga de regreso.

El efecto luminoso se percibe en ese instante ya que se propaga a la velocidad de

la luz (Vluz = 300 x 106 m/s).

Figura N 2. 7 Canal lder negativo y positivo

El efecto sonoro es percibido posteriormente, despus del tiempo de propagacin

de la onda sonora hasta el observador, que se procesa a una velocidad mucho

menor (Vsonido= 343 m/s) y se puede escuchar a distancias usualmente limitadas,

del orden de 10 Km.

El canal de la gua experimenta temperaturas altas debido a la neutralizacin ya

antes descrita. Los canales tienen un radio de unos cuantos centmetros y es


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34

ionizado trmicamente y es lo ya antes explicado el efecto luminoso que uno

identifica como rayo.

En general se han identificado cuatro tipos de rayo entre nube y tierra. Lasdescargas negativas forman el 90% de las descargas que caen a tierra a lo largo

de todo el planeta (categora 1); menos del 10% de descargas son positivas

(categora 3). Tambin existen descargas iniciadas desde tierra hasta la nube

(categora 2 y 4), sin embargo, estas descargas son relativamente raras y ocurren

normalmente en zonas de gran altitud, desde los picos de las montaas o desde

altas estructuras construidas por el hombre.

En la Figura 2.8 se puede ver las diferencias entre las cuatro categorascomentadas.

Figura N 2. 8 Clasificacin de las descargas nube-suelo por su polaridad.

2.7.2. PARMETROS DEL RAYO.

El conocimiento de los parmetros del rayo, en sus diferentes escalas, tiene

importancia tanto cientfica como tecnolgica.


55/175

35

El conocimiento cientfico nos facilita entender su comportamiento en el tiempo -

espacio, y sus relaciones con otros fenmenos naturales. En lo tecnolgico,

permite el diseo y seleccin adecuada de los equipos de proteccin, paragarantizar una operacin confiable, econmica y segura.

Para modelar los parmetros del rayo y aplicarlos en los diseos de proteccin,

es necesario dividir las caractersticas del rayo en tres grupos fundamentales:

1. Parmetros de incidencia.

2. Amplitud mxima de corriente del rayo.

3. Forma de onda de corriente del rayo.

2.7.2.1. PARMETROS DE INCIDENCIA DEL RAYO

Los parmetros de incidencia del rayo son: el Nivel Isoceranico y la Densidad de

Descargas a Tierra.

NIVEL ISOCERANICO (Td): Cuando se disean lneas de transmisin de

energa elctrica, es conveniente saber hasta que punto estas se encontraran

expuestas a los daos de las descargas atmosfricas, en particular, si las lneas

denotan tensiones nominales de operacin inferiores a 300 kV. Para tal efecto se

utiliza el concepto de nivel Isoceranico, el cual indica el nmero de das al ao

en que se pueden or truenos. Su principal deficiencia es que no discrimina entre

las descargas entre nube y tierra o entre nube y nube, adems de que el uso de

ecuaciones empricas lo convierten en un mtodo de relativa exactitud. El nivel

Isoceranico fue el primer indicador establecido y es ampliamente utilizado aun;

es un indicador que acostumbra a darse para un pas segn el Mapa de losNiveles Isoceranicos (Figuras N 2.9 y 2.10)

DENSIDAD DE DESCARGAS (Ng): La densidad de descargas o rayos de una

regin, representa la cantidad de descargas nube-tierra que impactan en un rea

de un (1) km2en un (1) ao. Existen tres formas para determinar este indicador:

el uso de contadores, por medio de datos obtenidos a travs de registros

realizados por satlite y el uso de ecuaciones empricas que lo relacionan con el


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36

nivel Isoceranico (Td). Este ltimo mtodo es el menos exacto, pero es utilizado

mundialmente en zonas donde no existen otras alternativas.

Una de las ecuaciones ms utilizadas para determinar la densidad de rayos atierra fue propuesta por Anderson y Eriksson, en 1980, que se muestra a

continuacin, ya que los resultados obtenidos estn avalados por un periodo de

observacin de seis aos.

7

7Segn el Consejo de Grandes Redes Electricas CIGRE


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37

Figura N 2. 9 Mapa de niveles isoceraunicos del Per 8

8Yanque, M,J.: Alta Tensin y Tcnicas de Pruebas en Laboratorio. Per, UNI versin 2004, cap. II, pp. 7


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38

Figura N 2. 10 Mapa de niveles Isoceraunicos Regin Cusco 9

AMPLITUD MXIMA DE CORRIENTE DEL RAYO: Uno de los parmetros ms

representativos del rayo, es la magnitud de corriente pico de descarga. Anderson(1987) define que la magnitud media de una descarga es de 31 kA y que la

probabilidad de que cierta magnitud de corriente sea excedida en una descarga,

est definida por la siguiente ecuacin:

Dnde:

: Magnitud de corriente pico de una descarga atmosfrica, kA.

: Probabilidad de que la corriente pico de una descarga atmosfrica sea

excedida.

FORMA DE ONDA DE CORRIENTE DEL RAYO: El rayo representa una fuente

de corriente de alta frecuencia, la descarga principal puede ser seguida de otra(s)

secundaria(s). Una onda de impulso de este tipo se emplea con propsitos de

9Yanque, M,J.: Alta Tensin y Tcnicas de Pruebas en Laboratorio. Per, UNI versin 2004, cap. II, pp. 8


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39

tf

tc

s

I

Onda

IEC 1.2/50 s

prueba cuando es necesario investigar el comportamiento de una instalacin o

equipo bajo estas condiciones. El impulso completo tiene un tiempo frontal de 1.2

s y tiempo de valor medio de 50 s (ver Figura 2.11)

Figura N 2. 11 Forma de onda del rayo

2.8. APANTALLAMIENTO EN LINEAS DE TRANSMISION.

El uso de apantallamiento para los sistemas elctricos de potencia es de gran

importancia ya que mediante el blindaje se busca reducir de manera significativa

los daos causados por descargas elctricas; este tipo de proteccin nos ayuda a

contemplar aspectos constructivos los cuales estn dentro de una normativa y as

obtener una lnea segura y flexible.

La instalacin de blindaje en una lnea de transmisin se logra por medio de hilos

guarda que son conductores desnudos, generalmente de acero, que protegen de

las descargas atmosfricas directas, estos conductores se conectan a la red de

puesta a tierra.Figura N 2.12

El comportamiento de las lneas de transmisin ante el efecto de las descargas

atmosfricas puede determinar lo que se conocer como Flameo Inverso

(Backflashover) Ver Figura N 2.13


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40

2.8.1. DESCARGA A LOS CABLES DE GUARDA

La funcin de los cables de guarda en las lneas de transmisin es proporcionar

un blindaje o proteccin contra descargas directas, es decir, un blindaje bien

diseado evita las descargas a los conductores de fase como se habl con

anterioridad. La efectiva posicin relativa de los conductores de guarda con

respecto a los conductores de fase se verifica por el llamado ngulo de blindaje.

En general se puede establecer que las lneas con dos cables de guarda

proporcionan un blindaje ms efectivo que aquellos con un cuentan con uno.

Figura N 2. 12 Apantallamiento con un solo cable de guarda

Figura N 2. 13 Flameo Inverso en una torre con dos cables de guarda


61/175

41

Aun con un buen blindaje las ondas de corriente que inciden en los cables

de guarda o en las torres son conducidas a tierra a travs de las mismas. De

manera que se espera que el terreno y los elementos de conexin a tierra de latorre, en forma combinada den un valor conocido como resistencia de pie de

torre, que sea lo suficientemente bajo como para evitar el fenmeno de reflexin

de ondas en forma importante.

2.8.2. DESCARGAS DIRECTAS A LA TORRE DE TRANSMISION

La torre en estado estable se mantiene al potencial de tierra; sin embargo eleva

su potencia en forma inmediata cuando es alcanzada por una descarga

atmosfrica, este potencial que aparece en la torre est dado como:

(2.25)

Dnde:

= Voltaje en la punta de la torre

= Corriente del rayo

= Impedancia caracterstica de la torre

La onda de voltaje en la punta de la torre V tse desplaza hacia abajo en la torre

hasta que alcanza el punto de transicin entre la torre y la tierra circundante que

est representada por el valor de la resistencia de pie de torre Rt. El voltaje se

refleja en este punto de transicin y viaja de regreso hacia la punta de la torre,

inicindose un proceso de reflexiones sucesivas.

Si el valor de la sobretensin sobrepasa el nivel de proteccin de los aisladores

entonces un arco se establecer siguiendo el contorno del mismo (flameo del

aislador), lo cual generalmente causa la falla fase tierra y la inmediata

desconexin de la fase en falla.

2.8.3. DESCARGA EN MEDIO VANO.

De acuerdo a la teora de ondas viajeras al incidir una descarga atmosfrica enmedio de los conductores de fase o cable de guarda, la corriente del rayo se


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42

divide en dos a partir de su punto de impacto, de manera que el valor es ahora I/2

desplazndose en forma unidireccional y produciendo una sobretensin que

depende de la impedancia caracterstica de los conductores. Ver Figura N 2.14

La tensin que se induce en los conductores de fase, por una descarga

atmosfrica es la siguiente:

(2.26)

Dnde:

= Impedancia caracterstica de los conductores

= Corriente de rayo

Figura N 2. 14 Conduccin de una onda por descarga atmosfrica a medio vano delcable de guarda


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43

CAPITULO III

3. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION Y

SUBESTACIONES.

3.1. APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION.

3.1.1. INTRODUCCION AL APANTALLAMIENTO DE LINEAS DE

TRASMISION.

Las lneas areas de transmisin de energa elctrica estn expuestas a las

descargas atmosfricas (cada de rayos), siendo ste uno de los motivos ms

habituales de fallo de aislamiento. En caso de que un rayo impacte sobre unalnea area, se origina una elevada sobretensin que puede producir el cebado de

los aisladores si se supera su nivel de aislamiento. En tal caso la sobreintensidad

de descarga a tierra a travs del apoyo, lo que indica una falla a tierra y si el

aislador permanece contorneado, una vez haya pasado la sobretensin, las

protecciones debern despejar la falta abriendo la lnea y reenganchndola

(produciendo de esta manera una interrupcin del servicio por unos pocos

segundos de duracin).

Para disminuir el nmero de interrupciones debido a las descargas

atmosfricas, es habitual la instalacin de cables de guarda (overhead ground

wire, OGW) en la parte superior de los apoyos. Con esto se pretende que las

posibles descargas atmosfricas impacten sobre un cable de guarda y se deriven

a tierra las posibles sobreintensidades.

Existe una gran variedad de formas de corriente de descarga, cada rayo

puede contener una o ms descargas. Todas ellas poseen una caracterstica

bsicamente cncava, pero no existe un modelo nico. La forma de onda de


64/175

44

corriente de una descarga atmosfrica puede ser representada de una forma de

doble exponencial o mediante una onda triangular.

Considerando la forma de onda triangular, los parmetros que lascaracterizan son: el valor de pico (Ip), el tiempo de subida (Tr desde 0 hasta Ip), y

el tiempo de semicola (Ti hasta 50 por 100 IP). Cada uno de estos parmetros

debe ser estudiado a partir de una distribucin estadstica, la cual depende

fuertemente de la zona geogrfica.

La funcin de distribucin acumulativa de la corriente de pico de un rayo

puede aproximarse mediante una distribucin fraccional.As, la probabil

ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO POR SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFÉRICO EN LA LÍNEA...

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