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Principios de coordinación de aislamiento en subestaciones. En las subestaciones eléctricas, se tienen aislamientos autorecuperables y aislamientos no recuperables, como el que contienen equipos con aislamientos internos como son los transformadores de potencia, transformadores de instrumentos, bancos de capacitores, que deben ser protegidos contra rupturas dieléctricas internas con el objeto de mantener en la instalación un riesgo de falla mínimo. Es importante el establecimiento de los valores máximos de tensión permisibles en los equipos y aparatos, el nivel básico de aislamiento por impulso por rayo, el nivel básico de aislamiento por impulso de maniobras, con los márgenes de protección recomendables por las normas para los equipos. Los dispositivos principales de protección contra sobretensiones son: a) Apartarrayos. b) Hilos de guarda. c) Bayonetas a) Este es el dispositivo primario de protección usado en la coordinación de aislamiento, su función es limitar la sobretensión aplicada al equipo para dar protección al aislamiento, las funciones específicas del apartarrayos son: ã Operar sin sufrir daño por tensiones en el sistema y corrientes que circulen por el. ã Reducir las sobretensiones peligrosas a valores que no dañen el aislamiento del equipo por lo que para cumplir con lo anterior se debe seleccionar el aislamiento apropiado. Selección del apartarrayo: Las características importantes para la selección de un apartarrayos son: i. Tensión nominal. - Es el valor efectivo de la tensión alterna de frecuencia fundamental a la cual se efectúa la forma de trabajo y que puede aparecer en forma permanente en el apartarrayos sin dañarlo. A esta tensión el apartarrayos extingue la corriente de frecuencia fundamental, por lo que se conoce también como “tensión de extinción del apartarrayo” La tensión nominal del apartarrayo se calcula de acuerdo a la siguiente expresión: Vn = Ke (Vmax.) Vmax. = Tensión máxima del sistema entre fases en KV Vn = Tensión nominal del apartarrayos en KV Ke = Factor de conexión a tierra El factor de conexión a tierra depende de la forma en como esta conectado el sistema a tierra, considerando la falla de línea a tierra que produce la sobretensión en las fases no falladas. De acuerdo con esto la relación de reactancias de secuencia cero a secuencia positiva (Xo/X1) y la relación Ro/X1 Apuntes de subestaciones eléctricas de potencia _____________________________________ Unidad V 1 Descripción Xo / X1 Ro /X1 Ke Multiaterrizado <<3 <<1 0.7 Aterrizado solidamente <3 <1 0.8 Aterrizado parcialmente 3 a - & 1 a & 1.0 No aterrizado - 40 a & ---------------- 1.0 El valor de la tensión nominal de un apartarrayos es importante en la economía de la instalación, tómese el caso de un sistema con neutro sólidamente conectado a tierra en donde se podría emplear apartarrayos de 80% se tendría un mayor número de operaciones y por lo tanto mayor probabilidad de falla, por el contrario si se seleccionaran apartarrayos de 100% de la tensión nominal de la instalación, se tendría un menor número de operaciones, pero es probable que la protección no sea adecuada debido a que a mayor tensión de operación del apartarrayo si esta mas próximo a la tensión fijada como nivel básico de aislamiento del equipo el margen de protección sería pequeño. ii. Corriente de descarga. - Se calcula a partir de las características de protección y nivel básico de aislamiento del sistema, generalmente se expresa en Kiloampers a partir de la expresión: Id = (2E – Vr) / (Zo + R) E = es la magnitud de la onda entrante a la subestación a través de la línea de transmisión expresada en KV, que se puede determinar como: E = 2e / n siendo e = el valor de la onda incidente y n el número de líneas entrantes a la subestación. Vr = Tensión residual del apartarrayos Zo = Impedancia característica de la línea R = Resistencia del apartarrayo Para cálculos rápidos cuando el número de líneas entrante a la subestación es uno, la corriente de descarga se puede obtener en forma aproximada como: Id = (K) (2NBAI) / Zo Para tomar en consideración el efecto de las reflexiones sucesivas de las ondas de rayo desde el punto de la descarga y que tienden a incrementar la corriente de descarga del apartarrayos, a las expresiones para cálculo de esta corriente se les multiplica por un factor K que depende de la distancia al punto de la descarga y de la longitud de la cola de la onda pudiéndose tomar los siguientes valores: Apuntes de subestaciones eléctricas de potencia _____________________________________ Unidad V 2 D (m) Factor K 700 3 1000 2 3200 1 iii. Tensión residual o de descarga. - Es la tensión que aparece entre la terminal de línea y tierra de un apartarrayo durante el paso de la corriente de descarga con una onda de 8/20 s. Este concepto no es aplicable a los apartarrayos de oxido de zinc. iv. Tensión de descarga a 60 Hz. – Es el valor eficaz de la menor tensión de baja frecuencia que aplicada entre las terminales de línea y tierra de un apartarrayo causa el arqueo de todos los explosores que se encuentran en serie. Este concepto no es aplicable a los apartarrayos de oxido de zinc. v. Tensión de descarga por impulso. - Es el valor mas alto de tensión obtenida con un impulso de onda y polaridad dadas (1.2/50 o 250/2500 s para impulso por rayo o por maniobra respectivamente), aplicada entre las terminales de línea y tierra del apartarrayo. Margen de protección. A la diferencia que debe existir entre el nivel básico de aislamiento al impulso del aislamiento por proteger y la máxima tensión que puede aparecer en el apartarrayo se le conoce como margen de protección. Se establece que debe ser como mínimo del 20% para impulsos por rayo y 15% para impulsos por maniobra, generalmente se expresa en porciento y se obtiene con las siguientes expresiones: Para impulso por rayo: M.P.= (((NBAI) – (Máx.tensión en el apartarrayos))/ (Máx.tensión en el apartarrayos)) x100 Para impulso por maniobra: M.P.= (((NBAM) – (Máx.tensión en el apartarrayos))/ (Máx.tensión en el apartarrayos)) x100 Para los propósitos de esta coordinación las tensiones máximas de diseño del equipo se dividen en las siguientes categorías: ã Categoría I tensiones hasta 245 KV. ã Categoría II tensiones mayores de 245 KV Apuntes de subestaciones eléctricas de potencia _____________________________________ Unidad V 3 TABLA 5.1 Niveles de aislamiento normalizados para equipos de la categoría “ I ” Tensión nominal Del sistema Vn Kv (eficaz) Tensión máxima de diseño del equipo Vd Kv Tensión de aguante nominal a 60 Hz de fase a tierra Kv (eficaz) Tensión de aguante nominal de impulso por rayo (NBAI) de fase a tierra Kv (cresta) 4.4 (1) 5.5 19 45 60 75 6.9 (1) 7.2 20 40 60 13.8(2) 15.5 35 75 95 110 23 (2) 27 50 60 95 125 150 34.5 (2) 38 70 125 150 200 44 (1) 52 95 250 69 (2) 72.5 140 325 350 85 (3), 115 (2) 123 185 230 450 550 138 (3) 145 230 275 550 650 150 (1), 161 (3) 170 275 325 650 750 230 (2) 245 360 395 460 850 900 950 1050 1) Tensiones congeladas 2) Tensiones normalizadas preferentes 3) Tensiones restringidas 4) Los valores de esta tabla están referidos a condiciones atmosféricas de referencia normalizadas. 5) La tensión de aguante nominal de impulso por rayo de fase a fase es el mismo valor que la de fase a tierra.
