El presente artículo de revisión de la
Norma IEC 60071-1 y IEC 60071-2, pretende ser una herramienta para la determinación de las tensiones
soportadas
de coordinación de las sobretensiones
de frente rápido utilizando el método
simplificado descrito en el Anexo F de la
normativa
Es importante mencionar que la estimación de la corriente de rayo o la amplitud
de frente de onda va estar sujeta a un
amplio rango de variables como ser nivel ceráunico del lugar geográfico en el
que se ubica el proyecto, resistividad del
terreno, periodos de retorno, polaridad
positiva o negativa del rayo, entre otros.
A su vez, aspectos tales como el nivel
ceráunico son variables estadísticas dependientes de la precisión de las centrales de monitoreo
ambiental y un buen
manejo del histórico de datos.
Por tanto, la norma plantea un método
simplificado para la estimación de las
sobretensiones debidas al rayo, que en
términos generales asume que las
bahías de entrada de línea y los principales equipos eléctricos de la subestación van a estar protegidos
por descargadores de sobretensiones o pararrayos, seleccionados adecuadamente bajo
la norma IEC 60099-4.
Antes de realizar el cálculo de la amplitud de la tensión representativa del rayo
se deben asumir algunas hipótesis como ser:
-
La pendiente de frente de onda es
amortiguada principalmente por el
efecto corona de las líneas de
transmisión, vale decir que para rayos alejados a la subestación la
amplitud de la onda será menor.
-
Los cebados inversos no se producen en la torre más cercana a la
subestación debido a la proximidad
de la puesta a tierra de la subestación.
Por tanto, la norma plantea la expresión
F.17:
Donde;
(URP) Amplitud de la tensión representativa del rayo (kV).
(A) Factor del comportamiento del rayo
en función al tipo de línea de transmisión.
(UPL) Nivel de protección de la onda tipo
rayo del pararrayos (kV).
(L) Distancia de separación del pararrayos y el equipo a proteger (m).
(n) Número mínimo de líneas conectadas a la subestación (n=1 o n=2).
(Lsp) Longitud del vano promedio (m).
(Lt) Porción de la línea aérea que tiene
una tasa de defectos igual a la tasa
de retorno establecida (m).
(Rt) Tasa de retorno de la sobretensión,
establecida (1/año).
(Rkm) Tasa de defectos anuales de la línea de transmisión correspondiente
al primer kilometro de línea a partir
de la subestación, (1/100 km/año).
Incorporando la expresión F.18 se tiene:
Obteniendo la tensión soportada de
coordinación para el impulso de rayo:
La Porción de la línea aérea cuya tasa
de defecto es igual a la tasa de fallos establecida aceptable.
Ra Tasa de fallos establecida aceptable del equipo.
Factor A Para diferentes tipos de líneas
Para el equipamiento eléctrico la tasa de
fallo aceptable Ra debido a las sobretensiones están en el rango de 0.001/año
hasta 0.004/año. Para líneas de transmisión eléctrica las tasas de fallo aceptables debido a rayos están
en el rango de
0.1/100 km/año hasta 20/100 km/año.
En Bolivia es una práctica común asignar para líneas en 115 kV y 230 kV, dos
(2) salidas netas 100 km/año y para líneas en 500 kV, una (1) salida neta 100
km/año.
Es importante indicar que las características de protección de un pararrayos son
únicamente válidas en su ubicación, en
ese sentido, cuanto mayor es la distancia de separación entre el pararrayos y
el equipo protegido, menor es la eficacia
protectora para este equipo y se podría
exceder el nivel de protección del pararrayos.
A continuación se muestra los elementos que se deben tomar en cuenta para determinar la distancia de
separación
del pararrayos al equipo protegido (L).
Es pertinente realizar una comparación
del cálculo de la distancia de protección
de un pararrayos efectuada por el método simplificado respecto al método de
simulación con software.
De acuerdo a la gráfica, con el método
simplificado se obtienen valores más
conservadores, pudiendo superar la tensión soportable para descarga atmosférica a los 40 metros de
distancia del pararrayos al equipo protegido.
No obstante, el método de simulación
por software usualmente requiere introducir parámetros tales como la amplitud
de la corriente de la descarga atmosférica que van a estar sujetos a estudios
estadísticos medio ambientales o reportes de proyectos de características similares. Es común encontrar
amplitudes
de corriente de descarga atmosférica
del orden de 150 kA, 200 kA y 250 kA,
sin embargo, la elección de uno u otro
valor va depender de la información disponible para cada proyecto y finalmente
de la selección adecuada del ingeniero
de diseño eléctrico, puesto que cada parámetro ofrecerá resultados diferentes.
Asimismo, el comportamiento del frente
de onda una vez que este ingresa a la
subestación va depender de aspectos
tales como el estado de contacto de los
interruptores de potencia (abierto/
cerrado), la capacitancia del equipamiento eléctrico, el tipo de conductores
eléctricos de barras y la puesta a tierra
de la subestación entre otros.
A continuación se puede observar el
comportamiento de la onda de descarga
atmosférica cuando el interruptor se encuentra en posición abierta:
Como se puede observar para la curva
de tensión existe una reflexión de la onda al tener una discontinuidad lo que
produce una superposición y elevación
de tensión.
Por otra parte, el equipamiento eléctrico
de la subestación también jugará un papel importante respecto a la atenuación
del frente de onda como se puede observar a continuación:
Efecto del transformador de tensión
capacitivo y pararrayos en una subestación eléctrica
En la gráfica se tienen los resultados de
la tensión medida en el interruptor de potencia para una amplitud de onda de
2000 kV , como se puede observar el
nivel más bajo de sobretensión sucede
en el caso de interruptor cerrado, bahía
de línea con pararrayos y transformador
de tensión capacitivo, en tanto que, la
situación más critica sucede con interruptor abierto y bahía de línea sin pararrayos ni transformadores
de tensión capacitivos.
Los transformadores de tensión capacitivos tienen una capacitancia entre 4-8 nF
y los transformadores de potencia de 2-4 nF.
Finalmente, es importante indicar que
para la gama I (1 kV <Um≤ 245 kV) las
tensiones soportadas normalizadas incluyen la tensión soportada de corta duración a frecuencia
industrial y la tensión
soportada a impulso de rayo, por tanto,
la selección adecuada por parte del proyectista de las tensiones soportadas y
normalizadas para el impulso de rayo
otorgarán confiablidad a las instalaciones eléctricas garantizando las distancias eléctricas fase-tierra
y fase-fase del
aislamiento interno y externo.