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7/24/2019 Tasa d Contorneamiento Leer

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICAUNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LPEZ MATEOS

PROTECCINDELNEASDEDISTRIBUCIN,CONTRADESCARGASATMOSFRICASCONAPARTARRAYOS

DEXIDOSMETLICOS(ZnO).

T E S I SQUE PARA OBTENER EL TTULO DE

I N G E N I E R O E L E C T R I C I S T A

P R E S E N T A :

ENRIQUE ZAPATA PREZ

ASESORES:

ING. FRANCISCO JAVIER PALACIOS DE LA OING. DANIEL ANTONIO MATA JIMNEZ

MXICO, D. F. NOV 2008


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INSTITUTOPOLITECNICONACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAy ELECTRICA

UNIDADPROFESIONAL"ADOLFOLOPEZMA TEOS"

TEM

DE TESIS

QUE PARA

OBTENER

EL

TITULO

DE

INGENIEROELECTRICISTA

POR LA

OPCION

DE

TITULACION

TESISINDIVIDUALYEXAMENORAL

DEBERA N) DESARROLLAR

C. ENRIQUEZAPATAPREZ

"PROTECCIN

DE

LNEASDE DISTRIBUCIN,CONTRADESCARGASATMOSFRICAS CON

APARTARRAYOSDE XIDOSMETLICOS(ZnO)."

SE DESCRIBE LA PROBLEMTICA

E

LAS SOBRETENSIONES DEBIDAS A DESCARGAS

ATMOSFRICAS Y LA EFECTIVIDAD

E

LOS DIFERENTES ESQUEMAS

E

PROTECCIN EN LOS

SITEMAS E DISTRIBUCIN, AS COMO LA INFLUENCIA

EL

BLINDAJE NATURAL Y LA

APLICACIN

E

APARTARRAYOS E XIDOS METLICOS ZnO), EN LINEAS E DISTRIBUCIN.

ADEMS E

LA

IMPORTANCIA EL MANTENIMIENTO Y E LAS PRUEBAS

E

CAMPO

REALIZADAS A DICHOS APATARRAYOS, CUMPLIENDO CON LA NORMATIVIDAD VIGENTE.

.:.

INTRODUCCIN.

:. ESTADSTICA

DE

LA

S UD DE LNEASDE DISTRIBUCIN.

:. EFECTO

DE LAS

DESCARGASATMOSFRICASEN LNEASDE DISTRIBUCIN.

:. CLCULODE

S UD

DE LNEASPORFALLA.

DE BUND JE

y FLAMEOINVERSO.

:. DETERMIN CIN DE LA RESISTENCIAATIERRA

Y

CLCULODE LA CADENADE

AISLADORES.

:. GENER liD DES DE LOSAPARTARRAYOS

DE

XIDOSMETLICOS(ZnO).

:. PUC CIONy SELECCIN

DE

APARTARRAYOSDE XIDOSMETLICOS(ZnO).

:. PRUEBAS.

:. CONCLUSIONES.

MxicoD.F.,A07deNoviembrede 2008

SESORES

ING.FRANCISCOJAVIERPALACIOS

DE

LA O

.

.;

J

; h ~ ~

I r ~ G E N E H fCECTRJC/


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DEDICATORIAS Y AGRADECIMIENTOS

Dedicado a mi familia:

Mis padres que son y seguirn siendo mis hroes a quienes quiero y admiro mucho por quegracias a su esfuerzo y sacrificio me han enseado y dado la oportunidad de seguirsuperndome. Papa! Mama!; les agradezco por confiar en mi y sobre todo por que medieron su apoyo, su cario y la vida. Gracias!!

Guillermo Zapata ValladaresCatalina Prez Lpez

Mis hermanos a quienes agradezco su apoyo, confianza, nimos, compaa, fraternidad. Ysobre todo les agradezco sus enseanzas en la vida y sus consejos. Gracias!!

Antonio Zapata PrezCarlos Zapata PrezGuillermo Patricio Zapata Prez

A mis sobrinos a quienes espero que sigan superndose siempre. Y me gustara que fueransi es posible mejor que yo.

Alma Patricia Zapata MendozaCristian Enrique Zapata Mendoza

Agradecimientos:

A Dios por darme la oportunidad de pertenecer y tener una familia excelente, por estarconmigo cuando mas lo necesito, por brindarme su acojo, la vida y sus bendiciones, porayudarme a terminar mi carrera. Gracias Seor !!

A mi novia por su compaa y sobre todo por su apoyo.

A mis profesores a quienes agradezco sus enseanzas, sus experiencia y por darnos lasherramientas y lo necesario para alcanzar el xito.

Al mi escuela IPN Esime-Zacatenco por abrirme las puertas y por darme los conocimientospara ser mejor persona y mejor ser humano, por haberme enseado un profesin y sobretodo por el orgullo de ser politcnico.

A todos mis amigos que estn conmigo en las buenas y en las malas y que me brindan suapoyo pero sobre todo por su amistad. Gracias!!


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INDICE

Introduccin............................................................................................................................1

CAPITULO I.ESTADSTICA DE LA SALIDA DE LNEAS DE DISTRIBUCIN.

1.1 Generalidades del sistema elctrico nacional...........41.2 Estadstica general de salida de lneas de distribucin ............5

CAPITULO II.EFECTO DE LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS EN LNEAS DE

DISTRIBUCIN.

2.1 Efectos de las descargas atmosfricas............................................................................112.2 Efectos producidos por la cada directa de un rayo....132.3 Efectos secundarios producidos por la cada de un rayo........142.3.1 La carga electrosttica.............142.3.2 Los pulsos electromagnticos.............142.3.3 Los pulsos electrostticos.........142.3.4 Las corrientes de tierra.............142.3.5 El sobrevoltaje transitorio....................152.4 Distribucin de frecuencia de la magnitud y forma de onda de la corriente del

rayo............................................................................................................................16

CAPITULO III.CLCULO DE SALIDA DE LNEAS POR FALLA DE BLINDAJE Y FLAMEO

INVERSO.

3.1 Blindaje......................193.2 Descargas directas a las lneas...................193.3 Descargas cercanas.........................233.4 Blindaje de objetos cercanos..................253.5 Determinacin del ngulo de blindaje para obtener un ndice de salida deseado por

fallas de blindaje................................................253.6 Angulo de blindaje.....................263.7 Determinacin de la resistencia a tierra para obtener un ndice de interrupciones

deseado por flameos inversos.................................263.8 Flameos inversos........................263.9

Efecto de la inclusin de hilo de guarda........................283.10 Impedancia transitoria de cable de blindaje, conductores, torres y sistemas de

CAPITULO IV.DETERMINACIN DE LA RESISTENCIA A TIERRA Y CLCULO DE LA

CADENA DE AISLADORES.


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4.1 Sistema de conexin a tierra......314.2 A tierra...334.3 Apartarrayos......334.4 Barra de tierra....33

4.5

Conductor de puesta a tierra......344.6

Conductor puesto a tierra...............................................................................................344.7 Corriente a tierra....344.8 Corriente de falla a tierra.......344.9 Discontinuidad.......344.10 Efectivamente aterrizado. ....344.11 Electrodo de tierra........344.12 Elevacin de potencial de tierra (EPT) ........354.13 Malla........354.14 Red de tierra.................354.15 Resistencia de tierra.............354.16 Resistividad del terreno............354.17 Sistema aterrizado................354.18 Sistema de tierra...........354.19 Slidamente aterrizado.........354.20 Subestacin aislada en aire (subestacin convencional) .........354.21 Subestacin aislada en gas (SAG) .......364.22 Tensin de paso............364.23 Tensin de malla..........364.24 Tensin de tierra...........364.25 Tensin de toque..........364.26 Tensin de toque metal a metal........364.27 Tensin transitoria de la envolvente (TTE) ........364.28 Tensin de transferencia......364.29 Tierra............................374.30 Caractersticas generales del suelo.......................374.31 Medicin de la resistividad......374.32 Recomendaciones para la medicin.........404.33 Componentes que conforman el sistema de conexin a tierra para su diseo.....414.33.1 Terreno......................................................................................................................414.33.2 Electrodos. ...........414.33.3 Uniones de la red...............424.34 Parmetros de diseo de los sistemas de tierra. ..424.34.1 rea de localizacin (A). ..................424.34.2 Resistividad del terreno (p). .....424.34.3 Corriente de falla ( IG). ....424.34.4 Tiempo de liberacin de la falla ( tf). ......434.34.5 Perfiles de potencial..434.34.6 Tensin de contacto ( Ec ). ...434.34.7 Tensin de paso.........................................................................................................444.35 Mtodos de mejoramiento............454.36 Recomendaciones para diferentes resistividades del terreno.......47


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4.37 Determinacin de la longitud de la cadena de aisladores en reas con determinadadensidad de rayos a tierra. ...............48

4.38 Distancia conductor-apoyo...................484.39 Determinacin de la longitud de la cadena de aisladores. ...494.40 Determinacin de la distancia especifica de fuga de cadena de aisladores en funcin

de los tipos y nivel de contaminacin. ............504.41 Distancia especifica de fuga mnima nominal en funcin del niveles deContaminacin.............................................................................................................50

4.42 Distancia especifica de fuga con diferentes opciones de aislamiento..........................524.43 Alternativa para evitar el flameo en aisladores debido a contaminacin.....................524.44 Propagacin de ondas en cables de blindaje y conductores de fase. ...534.45 Atenuacin y distorsin de onda por efecto corona.544.46 Caracteristicas de flameo de aisladores........................................................................554.47 Efectividad de la proteccin.........................................................................................55

CAPITULO V.GENERALIDADES DE LOS APARTARRAYOS DE XIDOS METLICOS (ZnO).

5.1 Funciones y principios de operacin de los apartarrayos de xido metlico.............575.2 Diseo Constructivo de los apartarrayos de (ZnO)........665.3 Configuracin de los apartarrayos de (ZnO) .........785.4 Seleccin de la tensin de operacin permanente y de la tensin nominal........795.5 Configuracin de los apartarrayos de (ZnO) 37.815.6 Seleccin de la Corriente Nominal de Descarga............................825.7 Seleccin y Revisin de los Niveles de Proteccin...845.8 Seleccin de la Envoltura...........865.9 Condiciones de Servicio.........................925.10 Sistemas de proteccin contra sobretensiones mediante Apartarrayos de (ZnO) ...925.11 Apartarrayos de xidos metlicos sin explosores........945.12 Resistencia variable de xidos Metlicos....................................................................945.13 Tensin asignada de Apartarrayos...............................................................................945.14 Tensin de servicio permanente de un Apartarrayos...................................................945.15 Frecuencia nominal de un Apartarrayos......................................................................945.16 Onda de choque............................................................................................................945.17 Onda de choque de intensidad de rayo.........................................................................955.18 Valor de cresta de una onda de choque........................................................................955.29 Frente de una onda de choque......................................................................................955.20Cola de una onda de choque.........................................................................................955.21 Duracin convencional del frente de una onda de intensidad......................................955.22 Rigidez convencional del frente de una onda..............................................................955.23 Duracin convencional hasta el valor medio sobre la cola de una onda de choque....955.24 Enunciado de la forma de una onda de choque............................................................955.25 Valor de cresta de polaridad opuesta de un choque.....................................................965.26 Intensidad de descarga de un Apartarrayos..................................................................965.27 Intensidad nominal de descarga de un Apartarrayos....................................................965.28 Intensidad permanente de un apartarrayos...................................................................965.29 Intensidad de referencia de un apartarrayos.................................................................96


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5.30 Tensin de referencia de un apartarrayos.....................................................................965.31 Tensin residual (tensin de descarga de un apartarrayos)..........................................965.32 Caracterstica Tensin a Frecuencia Industrial en funcin del tiempo de un

apartarrayos.................................................................................................................975.33 Caractersticas de proteccin de un apartarrayos.........................................................97

5.34 Caractersticas tcnicas................................................................................................975.34.1 Identificacin del apartarrayos..................................................................................975.34.2 Tensin Asignada Normales.....................................................................................975.34.3 Frecuencia Nominales normales...............................................................................985.34.4 Valores Normales de Intensidades Asignadas de descarga.......................................985.35 Eleccin de parmetros de proteccin .........................................................................985.35.1 Eleccin de la intensidad de corriente de descarga Asignada...................................985.35.2 Eleccin de la tensin Asignada (Ur) y Mxima de servicio continuo (Uc).............985.35.3 Factor de diseo (Kd)................................................................................................995.35.4 Nivel de proteccin (Np)...........................................................................................995.36 Coordinacin de Aislamientos.....................................................................................995.36.1 Distancia Mxima de proteccin (L).........................................................................995.36.2 Nivel de Aislamiento de la instalacin a proteger (NA)........................................................995.36.3 Margen de proteccin (MP)....................................................................................................995.36.4 Calculo de la distancia mxima de proteccin.....................................................................1005.37 Situacin en las instalaciones.................................................................................................1015.37.1 Cable aislado.........................................................................................................................1015.37.2 Transformadores...................................................................................................................101

CAPITULO VI.APLICACIN Y SELECCN DE APARTARRAYOS DE XIDOS METLICOS

(ZnO).

6.1 Aplicacin y seleccin de apartarrayos de xidos metlicos (ZnO).............................1036.2 Aplicacin de apartarrayos...........................................................................................1036.3 Resistencia de aterrizamiento.......................................................................................1056.4 Ejemplo........................................................................................................................105

CAPITULO VII.PRUEBAS A APARTARRAYOS.

7.1 Manual de procedimientos de prueba para apartarrayos de subestaciones dedistribucin....................................................................................................................109

7.1.1 Prueba de Resistencia de Aislamiento......................................................................1097.1.2 Recomendaciones para realizar la prueba.................................................................1097.1.3 Conexiones para realizar la prueba...........................................................................1097.1.4 Prueba de resistencia de aislamiento para una seccin.....................................1107.1.5 Prueba de resistencia de aislamiento para varias secciones..............................1107.1.6 Interpretacin de resultados......................................................................................1117.2 Prueba de Factor de potencia del Aislamiento.............................................................1117.2.1 Generalidades............................................................................................................111


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7.2.2 Recomendaciones para realizar la prueba.................................................................1117.2.3 Conexiones para realizar la prueba...........................................................................1117.2.4 Prueba de factor de potencia para una seccin..........................................................1117.2.5 Prueba de factor de potencia para varias secciones...................................................1127.2.6 Interpretacin de resultados......................................................................................112

7.3 Tipos de inspeccin......................................................................................................1137.4 Inspeccin visual..........................................................................................................1137.5 Inspeccin con termovisor...........................................................................................1147.6 Criterios adoptados para las inspecciones....................................................................1147.7 El criterio para la inspeccin con termovisor..............................................................1147.8 Apartarrayos de carburo de silicio...............................................................................1147.9 Apartarrayos de xidos de zinc (ZnO).........................................................................1157.10 Apartarrayos de media tensin...................................................................................1157.11 Pruebas de apartarrayos de media tensin.................................................................1167.12 Nivel de proteccin al impulso atmosfrico...............................................................1197.13 Nivel de proteccin al impulso de maniobra..............................................................119Conclusiones.......................................................................................................................121Glosario de trminos.ndice de imgenes.ndice de tablas.ndice de Formulas.Anexos.Bibliografa.


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INTRODUCCIN.

Los sistemas de potencia se ven sujetos peridicamente a sobretensiones, que pueden ser deorigen interno (maniobra, fallas) o externo (descargas atmosfricas). La magnitud de lassobretensiones externas recae esencialmente en el diseo del sistema, mientras que para las

internas, las magnitudes se incrementan al incrementar el voltaje de operacin del sistema. Alaumentar el voltaje de operacin, se llaga a un punto donde el factor determinante para eldiseo del aislamiento son las sobretensiones por maniobra. Hasta 300kV (aproximadamente),el aislamiento del sistema debe disearse para soportar principalmente los transitorios pordescargas atmosfricas. Para voltajes mayores, deben considerarse transitorios tanto por rayoscomo por maniobra. Para voltajes de 765kV y mayores, las sobretensiones por maniobra y lacontaminacin de los aisladores, se convierten en el factor principal en el diseo delaislamiento.

Las descargas atmosfricas son una fuente importante de fallas (transitorias o permanentes) enlos sistemas de transmisin y distribucin. En Mxico, representan un alto porcentaje del totalde fallas reportadas. Estos disturbios generan consecuencias a los consumidores con diferentesgrados de severidad. Los consumidores industriales que utilizan dispositivos estticos paracontrolar sus procesos, puedan atravesar por graves problemas si se presentan cadas devoltajes, o interrupciones en el suministro de energa. Debido a los anteriores, es justificablerealizar esfuerzos para eliminar, o al menos reducir, la frecuencia de tales fallas.

A pesar de que la proteccin de lneas de distribucin contra descargas atmosfricas se analizanormalmente con diferentes suposiciones a las usadas para lneas de transmisin, los mtodosbsicos son similares. Es decir, para disear la proteccin de lneas de transmisin ydistribucin, se requiere analizar los siguientes puntos:

Efecto de las descargas directas.

Efecto de las descargas cercanas. El comportamiento deseado de la lnea analizada.

DESCARGAS DIRECTAS A LAS LINEA.

El nmero de rayos sobre la lnea depende de la actividad de descargas para una cierta regin.Esta actividad se define como densidad de rayos a tierra, y es el numero de rayos a tierra porunidad de rea (normalmente km2) y por ao.

Para estimar el nmero de rayos que golpeara directamente a una lnea, se pueden usar dos

mtodos diferentes:a) Considerar el nmero de golpes directos en base a una funcin.b) Considerar el modelo electrogeomtrico para estimar el nmero de rayos que golpeara

a la lnea. El modelo electrogeometrico se puede demuestra como existen radios deatraccin o distancias criticas que hacen de cada uno de los diferentes elementos dela lnea (hilos de guarda, conductores de fase) y de la tierra. Estas distancias estnrelacionadas con la corriente de pico prospectiva del rayo.


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DESCARGAS CERCANAS.

El mximo voltaje inducido en una lnea debido a una descarga cercana, es una funcin dediferentes parmetros, como son: el valor pico de la corriente de rayo, el tiempo de cresta, lavelocidad de retorno del rayo, la altura de la lnea y la distancia entre la lnea y el punto de

golpe del rayo. Si el valor de este voltaje es mayor que el BIL de la lnea, puede existir unflameo.

EL COMPORTAMIENTO DESEADO DE LA LNEA ANALIZADA.

Normalmente una lnea de distribucin no est protegida con hilos de guarda; pero si seincluyen es necesario analizar el efecto que tiene sobre el comportamiento de la misma antedescargas directas y descargas cercanas. Puesto que el nivel de aislamiento es bajo para tipodistribucin, un rayo que termine en el hilo de guarda tiene muy alta probabilidad de generarun flameo inverso en el aislamiento de la misma. Ante una descarga cercana, sin embargo, lapresencia de conductores aterrizados pueden reducir las sobretensiones inducidas. Uno de losparmetros que afectan notablemente el comportamiento de las lneas, es el valor de laresistencia de aterrizamiento, tanto de las torres como de los postes utilizados en sistemas dedistribucin.

PRUEBAS DE CAMPO PARA APARTARRAYOS.

En los sistemas elctricos de potencia, las subestaciones de distribucin son las quedistribuyen a travs de sus circuitos la energa elctrica a los centros de consumo. El equipoprimario de las Subestaciones debe mantenerse en las mejores condiciones operativas, parareducir las probabilidades de falla; mejorando as, la continuidad del servicio. Analizando loanterior, es necesario que los trabajos de preparacin del equipo primario para su puesta enservicio y las actividades de mantenimiento sean de calidad, para evitar la salida prematura delequipo. Se tiene la finalidad de proporcionar los elementos fundamentales de informacin,como apoyo en la manera de efectuar pruebas al equipo elctrico primario.

El procedimiento se ha elaborado aprovechando la experiencia del personal tcnico, einformacin que posee la Comisin Federal de Electricidad en sus Divisiones de Distribucin.Se efectan a los equipos que se encuentran en operacin o en proceso de puesta en servicio yse consideran de la siguiente manera:

a) RECEPCION Y/O VERIFICACION. Se realizan a todo el equipo nuevo o reparado,considerando las condiciones de traslado; efectuando primeramente una inspeccin detalladade cada una de sus partes.

b) PUESTA EN SERVICIO. Se realizan a cada uno de los equipos en campo despus dehaber ser sido: instalados, ajustados, secados, etc., con la finalidad de verificar sus condicionespara decidir su entrada en operacin.

c) MANTENIMIENTO. Se efectan peridicamente conforme a programas y a criteriosde mantenimiento elegidos y condiciones operativas del equipo.


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ESTADSTICA DE LA SALIDA DE LNEAS DE DISTRIBUCIN.


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1.1 GENERALIDADES DEL SISTEMA ELCTRICO NACIONAL (S.E.N.).

El sistema elctrico nacional esta compuesto por un conjunto de Instalaciones, Centrales por lainfraestructura elctrica propiedad u operada por la C. F. E. Instalada en la RepblicaMexicana y destinados a la prestacin del servicio pblico de Energa Elctrica en la forma y

trminos establecidos en los ordenamientos legales sobre la materia. La componentefundamental del S. E. N. es la Red Troncal constituida por el conjunto de CentralesGeneradoras, Lneas de Transmisin y Transformadores que debido a su funcin principal degenerar e interconectar las principales instalaciones y a su ubicacin estratgica, se considerande importancia vital para el SISTEMA ELCTRICO NACIONAL.

El S. E. N.tiene como finalidad primordial proporcionar a los usuarios actuales y potencialesun servicio pblico de Energa Elctrica que cumpla los objetivos bsicos de SEGURIDAD,CONTINUIDAD, CALIDAD Y ECONOMA, entendindose estos objetivos para finessiguientes:

Continuidad.-La accin de suministrar ininterrumpidamente el servicio de energa elctrica alos usuarios de acuerdo a normas legales y reglamentos vigentes aplicables (Ley de serviciopublico de energa elctrica y su reglamento).

Calidad.- La condicin de tensin y frecuencia del servicio elctrico de acuerdo a normaslegales y reglamentos vigentes aplicables.

Economa.- El uso optimo de los recursos, considerando las unidades generadoras msconvenientes en cada momento y la asignacin de la potencia ms adecuada, segn ladisponibilidad, el costo y el consumo del energtico usado y las prdidas de energa en latransmisin.

Seguridad.- Del sistema elctrico nacional para evitar contingencias y que en caso que deocurrir alguna permanezca operando sin exceder la capacidad de los equipos dentro de losrangos permitidos de voltaje y frecuencia, sin provocar afectacin de carga a los usuarios.

Corresponde al CENACE (CENTRO NACIONAL DE CONTROL DE ENERGA)creado por laC. F. E. y dependiente de la Subdireccin de Transmisin, Transformacin y Control, laPLANEACIN, DIRECCIN Y SUPERVISIN DE LA OPERACIN DEL S. E. N., hasta lasfronteras establecidas con los sistemas de distribucin de energa elctrica, los cuales estn acargo de las divisiones de distribucin de C. F. E.

La C.F.E. cuenta con trece divisiones regionales mediante las cuales establece loslineamientos especficos y normas aplicables en materia de distribucin de electricidad en elterritorio nacional. En coordinacin con el Centro Nacional de Control de la energa(CENACE), vigila la operacin de los sistemas de subtransmision y distribucin. As mismodisea y programa los procedimientos de informacin de las divisiones, cuya labor coordina.

En el aspecto comercial vigila el cumplimiento de las disposiciones, leyes, reglamentos ynormas establecidas que regulan la venta de electricidad. Adems determina los lineamientospara la medicin, contratacin, venta y cobranza del fluido energtico. Tambin orienta y


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asesora a la planta industrial y al comercio nacional sobre la adecuada utilizacin y equiposelctricos, a fin de fomentar el uso racional de la energa. Para llevar a cabo estas acciones, lastrece gerencias divisionales aplican los lineamientos y polticas institucionales en lo relativo adistribucin y comercializacin de electricidad en el mbito regional; operan y proporcionanmantenimiento a las instalaciones y equipos localizados en sus zonas de trabajo; disean y

construyen la infraestructura necesaria para entender cada vez mejor a los usuarios delservicio, y realizan estudios sobre el pronostico anual de ventas e incrementos previsible en elnmero de clientes, entre otras acciones.

Estas trece divisiones de distribucin son: Baja California, Bajo, Centro Occidente, CentroOriente, Centro Sur, Golfo Centro, Golfo Norte, Jalisco, Noroeste, Norte, Oriente, Peninsulary Suroeste. Casi todas ellas comprenden varios estados del pas.

1.2 ESTADSTICA GENERAL DE SALIDA DE LNEAS DE DISTRIBUCIN.

En 1977, los ndices de salidas producidas por las tormentas elctricas en nuestro pas para laslneas de transmisin eran muy superiores a los que se registraban en otras partes del mundo.Por ello, se contrato al Instituto de Investigaciones Elctricas (IIE) para trabajar en el rea dedescargas atmosfricas y conexiones a tierra. As, el IIE revis los procedimientos de diseode lneas de transmisin y subestaciones para los cuales se reportaban altos ndices de salidasy defini un programa de investigacin tendiente a mejorar los diseos existentes.

Los trabajos iniciados para abatir los ndices de salidas se dividieron en dos grandes rubros:por una parte, caracterizar las tormentas elctricas en el pas, esto es, conocer el fenmeno ysu intensidad, y, por otra parte, analizar el diseo de lneas de transmisin y subestaciones conel fin de establecer las necesidades de actualizacin para operar confiablemente bajo lascondiciones meteorolgicas y ambientales de nuestro territorio.

La caracterizacin de la frecuencia de las tormentas elctricas. Se intua que las descargaselctricas de origen atmosfrico eran ms frecuentes en Mxico que en otros pases que dadasu ubicacin geogrfica subtropical. Las estadsticas con que se contaba en ese tiempocorrespondan a investigaciones realizadas en Europa y en los Estados Unidos, por lo queaportaban informacin de muy poca utilidad para conocer las condiciones prevalecientes ennuestro pas, as que se comenz a trabajar en la caracterizacin de la frecuencia de lastormentas con equipos detectores y registradores cuantitativos.

Se probaron diversas versiones de detectores de tormentas elctricas hasta llegar a undispositivo adecuado para operar en forma automtica y con un mnimo de mantenimiento,adems de que resistiera las condiciones ambientales extremas. Se identific un modelo quesatisfaca los requerimientos establecidos. Con este modelo y gracias al financiamiento, el(IIE) realiz mediciones durante un ciclo solar, once aos, de 1983 a 1993. Se seleccionaronlas regiones con mayor densidad de rayos a tierra de instalaciones tanto de distribucin comode transmisin y con base en ello se ubicaron 130 dispositivos, a travs de los cuales se logrestablecer un mapa de intensidad de tormentas. Slo unos diez pases en el mundo cuentan conun mapa de este tipo. Estados Unidos, por ejemplo, lo obtuvo apenas hace cinco aos. Una vezque se conoci el fenmeno de las tormentas elctricas con mayor precisin, se estudio eldiseo de lneas de transmisin y de subestaciones sujetas a tormentas elctricas y se


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compararon con las de otros pases. En ese tiempo se proyectaron los posibles ndices de fallaa veinte aos, y se encontr que se tendran cerca de cinco mil problemas al ao. (Gracias a lareestructuracin del diseo, dos dcadas despus se tienen cerca de mil fallas anuales). Seconsideraron posibles soluciones: si el problema era de frecuencia, quera decir que losdiseos no eran adecuados o tenan problemas de implementacin. Se revisaron los diseos de

las lneas y se encontr que prcticamente eran una traduccin de las guas francesas dediseo. Dado este panorama, forzosamente se tenan que hacer modificaciones, as que iniciel trabajo de reelaborar las el diseo de lneas de transmisin y de subestaciones sujetas atormentas elctricas, buscando la manera de atenuar el fenmeno. Se desarrollaron las guasatendiendo a la variabilidad del fenmeno. As, entre 1980 y 1985 se adopt una nueva familiade torres, con un rediseo mecnico y una configuracin que permite un mejorcomportamiento ante las tormentas elctricas. De 1985 a 1988 se analiz la forma derehabilitar y modificar la configuracin de las lneas existentes. Dada la imposibilidad derenovar cerca de cinco mil kilmetros de lnea, se encontraron mejoras factibles y medianterehabilitaciones menores se ha logrado tener una operacin ms confiable. El (IIE) tambindescubri la razn por la que las salidas de las lneas eran tan heterogneas entre un ao yotro: la situacin no era un problema exclusivo del diseo de la lnea, debido a que el ndice desalidas vara en proporcin directa de la intensidad y variabilidad de los fenmenosmeteorolgicos. Por lo anterior, se establecieron lmites de diseo; es decir, se contemplabaque cada lnea, dependiendo de su diseo y ubicacin fuera afectada en forma promedio porcada evento. Hacia 1993 se defini una metodologa para instalar apartarrayos de lnea demanera selectiva de acuerdo con la informacin de la intensidad de las tormentas elctricas yde la estadstica de operacin de las lneas. Con esto se est logrando disminuir a la mitad ohasta la tercera parte la incidencia de fallas en lneas que continan siendo problemticas.

El sistema de conexin a tierra es una de las formas de controlar las interrupciones portormentas elctricas es utilizando sistemas adecuados de conexin a tierra en lneas y ensubestaciones. Cuando se comenzaron a revisar los de diseo se tuvieron que abordar estossistemas. En 1978 se lleg a la conclusin de que era conveniente que el (IIE) se asociara conun grupo extranjero en Montreal, Canad. Se adquiri software que ese grupo habadesarrollado y que se aplicaba a subestaciones y centrales de produccin, y se implant unametodologa de diseo basada en caractersticas propias en lo que a resistividad del terreno eintensidad de las tormentas elctricas se refiere. Esta labor permiti que se pudiera contar conun procedimiento actualizado para el diseo de los sistemas de tierra tanto para subestacionescomo para lneas de transmisin. En 1983 se desarroll un programa, todava ms adecuado alas necesidades. El programa original era ms acadmico, tena una gran variedad de mtodosde solucin tericos, el nuevo desarrollo, al estar basado en una metodologa ms prctica, conmenos soluciones tericas, pero aplicable a subestaciones tanto convencionales como aisladasen hexafloruro de azufre (SF6), increment la capacidad del (IIE) para el anlisis y solucin deesta problemtica. En 1985 se implant una nueva metodologa de diseo del sistema deconexin a tierra con base en la nueva programacin desarrollada.

La metodologa se comenz al aplicar en centrales termoelctricas y en grandes subestaciones,lo que permiti que no slo se trabajara en diseos seguros y confiables, sino que se buscarallegar a diseos ptimos, con lo que se empez a tener ahorros de material desde 10 hasta 80%del costo que significaba un diseo convencional. Un caso interesante fue el de la central dePetatalco, el cual fue uno de los primeros proyectos la cual, utilizando criterios tradicionales,


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pretendi construir una red de tierras en la que enterraba del orden de 30km de conductor. Losdiseadores apoyados por los especialistas del (IIE) redisearon el sistema de conexin atierra. Para entonces ya se haba establecido la nueva metodologa propuesta por el Instituto yque exista slo en pocas empresas elctricas del mundo. El diseo obtenido slo requiri unoscinco kilmetros de conductor. El contratista adopt la propuesta del (IIE), pues se le mostr

que el diseo cumpla con los criterios establecidos por la gua 80 del IEEE (Institute ofElectrical and Electronics Engineers, Inc.), pero se lograba optimizar la longitud delconductor. A partir de entonces es de uso comn el SISCONTI(Sistema de Conexin a Tierra).El SISCONTI es una herramienta que, a travs del uso de la computadora, permite analizarcmo funcionar un sistema de conexin a tierra en una instalacin elctrica cualquiera tantoen condiciones de operacin normales como anormales de la red elctrica. La metodologadesarrollada por el (IIE) para los sistemas de conexin a tierra tambin se ha enfocado a laproblemtica de operacin de equipos sensibles, utilizndose para la adecuacin y diseo delos sistemas de conexin a tierra del simulador de Valle de Bravo, del de Laguna Verde y eldel Metro, y recientemente para sistemas de almacenamiento de hidrocarburos y centros detelecomunicaciones en Petrleos Mexicanos. Los resultados Veinte aos despus, el sistemade transmisin presenta ndices de salidas por descargas atmosfricas del orden de una quintaparte de las fallas que ocurran en los aos setenta. El trabajo hecho en transmisin se estextrapolando a distribucin, donde el efecto es mayor. Tambin se incorporaron algunosprocedimientos de diseo y de proteccin para tener una metodologa que permita redes conmayor confiabilidad y mejores instalaciones.

Por otro lado, en el rea de sistemas de conexin a tierra de instalaciones, el (IIE) cuenta conla capacidad para proteger instalaciones elctricas en diversos campos como la industriaqumica y del petrleo, por ejemplo. Se trabaja en la proteccin de instalaciones elctricas encentros de acopio de hidrocarburos. En ese mbito, usar las tcnicas de proteccinconvencionales resulta poco prctico porque se puede llegar a tener hasta interferencia conalgunos criterios de seguridad industrial. Se busca cmo ser compatibles con las restriccionesdel entorno y analizar cmo lograr un buen nivel de proteccin sin interferir con las medidaspertinentes de seguridad. Actualmente se busca dar un giro hacia la instalacin de electrodosde tipo vertical, elementos que pueden dar mejor conductividad y permitir disminuir el valorde la resistencia de conexin a tierra, mediante el uso de material intensificador del contacto atierra. Relacin cronolgica de avances en el rea de transmisin y distribucin 1983. Setrabaj en programas de transmisin y distribucin. Entre los principales logros se cuenta eldesarrollo de un mtodo para la prediccin de la respuesta en lneas de distribucin al efectode las tormentas elctricas, el desarrollo de programacin para la simulacin de apartarrayos yel diseo para lneas y subestaciones protegidas contra descargas atmosfricas. En 1985. Setransfiri un mtodo para la planeacin de redes urbanas de distribucin. Se consideramadura la tecnologa para la coordinacin de protecciones en redes radiales de distribucin.Se desarrollaron herramientas interactivas simplificadas para el diseo de torres detransmisin que facilitan el trabajo de los diseadores y permiten el anlisis de un mayornmero de opciones para la optimacin real de este tipo de estructuras. En 1987. Lasinvestigaciones del (IIE) se orientan al anlisis de la contaminacin en aislamientos en lneasde transmisin y distribucin elctrica. Culminaron las mediciones en una lnea experimentalubicada en Tapachula, Chiapas, para determinar el comportamiento de transformadores yvoltajes inducidos por descargas elctricas atmosfricas. Contina la elaboracin del mapa de


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isodensidades de rayos a tierra de la repblica mexicana. Finalizaron las investigacionesrelacionadas con la coordinacin de protecciones.

En 1989. Se evalan nuevas opciones de proteccin como apartarrayos de xido de zinc yaisladores de entrehierro con limitadores de corriente en lneas en operacin.

Se concluy el diseo y se desarrollo un paquete digital de coordinacin de protecciones parasistemas de transmisin mallados con proteccin contra fallas entre fases y de fase a tierrapara implantarlo en una computadora personal. En 1991. Con relacin a subestaciones, lostrabajos se centraron en el desarrollo de modelos para analizar la propagacin desobretensiones por descargas atmosfricas en una subestacin encapsulada, as como en ladefinicin de las condiciones bsicas para la conexin a tierra de la envolvente de lasubestacin. Se desarroll un sistema de registro de tormentas integrado por etapas de filtrado,discriminacin de rayos a tierra, de rayos entre nubes e integracin de las seales. En 1992. Seintegr una estacin prototipo que detecta descargas atmosfricas, cuya informacin es deutilidad para mejorar los diseos de esquemas de proteccin de las lneas de transmisin ydistribucin en zonas de alta incidencia de descargas. La integran dos antenas sensoras decampos elctrico y magntico, una tarjeta de seales analgicas, una de digitalizacin (ambasse instalan en las ranuras de expansin de una computadora personal) y el software de registrode seales. La estacin registra los parmetros ms importantes de las descargas atmosfricas:la amplitud pico de la corriente, la multiplicidad, el tipo de carga y su localizacin en el planode tierra. Se prueban dos nuevos mtodos de proteccin de lneas de transmisin: apartarrayoscon entrehierro en serie y apartarrayos con xido de zinc. Se comprueba que con ellos sereducen los costos de mantenimiento y las fallas por descarga. Se plantean los primerosconceptos relacionados con la calidad de la energa elctrica. En 1993. Se evalan esquemasde proteccin contra interferencia electromagntica en instalaciones elctricas, detelecomunicaciones, de circuitos de control y de sistemas computarizados. Se desarrolla unmodelo matemtico para el clculo del ndice de falla, considerando el acoplamientoelectromagntico por rayos cercanos, en funcin del nivel de aislamiento de la lnea y de ladensidad de rayos a tierra. Se evalan sistemas comerciales de registro de parmetros de rayo.Se concluy el mapa 1983-1993 de isodensidades a tierra y las tablas de probabilidad de cadasitio en el que se localiza un contador de rayos, lo que permiti obtener mapas de densidadmxima y mnima, y sus periodos de retorno para evaluar el comportamiento esperado de laslneas de transmisin bajo el efecto de tormentas elctricas. En 1994. En relacin con laspruebas realizadas para encontrar mtodos eficientes de proteccin contra descargasatmosfricas (apartarrayos con entrehierro en serie y de xido de zinc) se observ una notablereduccin de las interrupciones despus de dos aos de evaluacin: valores inferiores alcincuenta por ciento de interrupciones que en los nueve aos anteriores. En 1995. Se realizun monitoreo sistemtico en varios alimentadores para determinar los parmetros que definenla calidad de la energa; se encontr que en trminos generales la distorsin armnica norepresenta por el momento un problema relevante tanto para los usuarios como para la red dedistribucin. El problema de mayores efectos que indic el estudio se relaciona con losabatimientos de voltaje, debido a que este problema se manifiesta siempre que ocurre una fallaa tierra sobre un circuito de distribucin o sobre una lnea de transmisin. Para apoyar lasactividades tanto de operacin como de planeacin de redes de distribucin se desarroll laespecificacin de una base de datos para las redes de distribucin, utilizando conceptos dearquitectura abierta o programacin orientada a objetos. En 1996. Las investigaciones


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tendientes a evaluar el uso de compensacin serie controlada por tiristores permitieron evaluarescenarios de demanda mxima a diez aos en la interconexin del sistema peninsular y elSistema Interconectado Nacional. Se determin que en caso de problemas derivados de lapuesta en operacin de centrales de generacin en el rea peninsular, es posible en el cortoplazo implementar esquemas de compensacin que permitan no slo incrementos en la

transferencia de potencia entre sistemas sino, adems, el amortiguamiento de oscilaciones depotencia. En 1997. En relacin con el diseo y la especificacin de sistemas elctricosdedicados al suministro de cargas no lineales, se implement una metodologa para el anlisisde sistemas delicados que operan con elevada distorsin armnica. En la metodologa secontempla la especificacin de los equipos principales con el generador, el transformador y, encaso necesario, filtros de armnicas. Esta metodologa se aplic en la implantacin de unsistema artificial de extraccin de crudo en la sonda de Campeche. Se aplic una metodologapara el diseo de esquemas de suministro y conexin a tierra de equipo sensible a sistemas decmputo y telecomunicaciones. En 1998. Se realiz una evaluacin de los ndices deconfiabilidad de los arreglos de subestaciones, para la evaluacin se utiliz una metodologade anlisis desarrollada por el Instituto con base en tcnicas de investigacin de operaciones.Dicha metodologa permite realizar una evaluacin eficiente de grandes redes elctricas.

Fig. 1 Mapa de la republica mexicana (densidad de rayos a tierra).

MAPA DE DENSIDADES DE RAYOS A TIERRA DE 1983 A 1992.


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EFECTO DE LAS DESCARGAS ATMOSFRICAS EN LNEAS DE DISTRIBUCIN.


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2.1 EFECTOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS.

De las ondas debidas a rayo, slo llegan a la subestacin aquellas cuya magnitud es inferior alnivel de aislamiento de la lnea y que, por lo tanto, no alcanzan a contornear los aisladores dela instalacin. Estas ondas pueden ser de polaridad positivas o negativas, predominando estas

ltimas.A la hora de disear nuestro sistema de proteccin contra efectos atmosfricos debemos teneren cuenta que deben cubrirse las siguientes necesidades:

a. Proteccin de edificaciones y estructuras.b. Proteccin de torres de comunicacin.c. Proteccin de lneas areas.d.

Otros tipos de proteccin.

La fascinacin y temor por los fenmenos metereolgicos es un fenmeno que nos acompaa

desde la antigedad. El rayo corresponde a una descarga elctrica en la atmsfera, que seproduce entre una nube y la superficie, o entre dos nubes. El aire, desde el punto de vistaelctrico es un buen aislante. Sin embargo, cuando la diferencia de potencial elctrico entredos puntos supera un cierto valor lmite, en torno a los 30.000 volts, se produce la rupturadielctrica de ste, haciendo que el aire sea conductor elctrico y se produzca una masivadescarga elctrica en la forma de un rayo.

En su trayectoria, el rayo transporta corrientes elctricas que pueden llegar como trminomedio a 30.000 Amper (en el hogar, las intensidades elctricas estn en torno a los amperioscon voltajes de 220V) durante millonsimas de segundo con potenciales que se han llegado aestimar en valores que sobrepasaban los 15 millones de voltios, pudiendo llegar incluso a los200 millones.

El aumento de temperatura en los puntos por donde pasa la descarga (hasta un valor cercano a30.000C) y el brusco aumento de presin debido al calentamiento asociado generan una granluminosidad (relmpago) y ondas de sonido que constituyen el trueno. La velocidad depropagacin del sonido en el aire es del orden de 1200km/h, de modo que el tiempotranscurrido entre el avistamiento del relmpago y el trueno permite estimar la distancia delobservador al punto de ocurrencia del rayo.

El rayo que cae al suelo produce la fulgurita (del latn fulgor, relmpago), nombre que se le daen mineraloga a las rocas cuya superficie ha sido fundida por rayos y tambin a los agujeroscaractersticos que se forman en las rocas a causa del mismo agente. Diariamente en el mundose producen unas 44.000 tormentas y se generan ms de 8.000.000 de rayos segn el sistemade deteccin mundial de meteorologa. Se calcula que aproximadamente slo el 60% de losrayos producen truenos. Esto se debe a que, a menudo, las ondas de varios rayos consecutivosse mezclan para formar uno, o se anulan mutuamente. El sonido tiende a rebotar en lasmolculas que hay en el aire lo que hace que el sonido viaje en todas direcciones, por lo tanto,mientras ms lejana est la fuente del sonido, ms distorsionado ser el sonido. Por lo tanto,cuando se escucha el estruendo repetido de un trueno, la descarga elctrica ocurri lejos.


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Si se escucha el "crack" o "boom seco de un trueno, es porque la descarga elctrica haocurrido cerca (


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b. Rayo entre - nubes: ocurre entre centros de carga en dos diferentes nubes con ladescarga recorriendo el espacio de aire que hay entre ellas, que puede llegar a de 20Km.

c. Rayo nube - tierra: es el ms daino y peligroso aunque, por fortuna, no es el ms

comn. La mayora se originan cerca del centro de carga negativo de la nube detormenta y liberan carga negativa hacia la tierra. Ser en este tipo en el que noscentremos.

Existen otros fenmenos elctricos tales como las descargas de efecto corona, comnmenteconocidas como "fuegos de San Telmo", pero tienen mucha menor intensidad. Los rayos sonseales elctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello, son causa deinterferencias en sistemas electrnicos. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosfricasse requiere de las tcnicas para seales en altas frecuencias.

A la frecuencia debida a la descarga del rayo, la impedancia de un cable de cobre usado en las

puestas a tierra (de unos 1.64uH/m) presenta un carcter predominantemente inductivo. Enconductores de ms de 10 metros la impedancia que representan es muy elevada, lo cualimpide la conduccin de la corriente. Como los rayos se reflejan como cualquier onda de altafrecuencia, es bsico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas laspartes del sistema conectadas a tierra, elevarn y bajarn su potencial con respecto de tierra altiempo de la descarga.

2.2 EFECTOS PRODUCIDOS POR LA CADA DIRECTA DE UN RAYO.

Los efectos directos de un rayo son la destruccin fsica causada por el impacto de los quepueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una instalacin donde haymateriales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al canal del rayo o al efecto decalentamiento del rayo, producindose importantes incendios.

Cuando cae un rayo en una instalacin siempre buscar el camino a tierra de ms bajaimpedancia y por l circular hasta tierra. Si el conductor tiene algn equipo elctricoconectado a un equipo y es atravesado por esa corriente, muy probablemente ser destruido. Sibien la cada directa del rayo es la ms devastadora, tambin es la ms improbable.

2.3 EFECTOS SECUNDARIOS PRODUCIDOS POR LA CADA DE UN RAYO.

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una instalacin incluyen:

2.3.1 LA CARGA ELECTROSTTICA.

La clula de tormenta induce una carga esttica en cualquier estructura inmersa en la tormenta.Esta carga esttica estar relacionada con la carga de la clula de la tormenta. Por esto seinducir una diferencia de potencial en la estructura o conductor respecto a tierra que ser unposible causante de interferencias. Como consecuencia de la carga electrosttica se producenlos arcos secundarios que es una de las interferencias ms frecuentes.


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3.2 LOS PULSOS ELECTROMAGNTICOS.

Los pulsos electromagnticos, son el resultado de los campos electromagnticos transitoriosque se forman por el flujo de corriente, a travs del canal de descarga del rayo. Despus de quese establece el canal de descarga del rayo entre la nube y la tierra, llega a formarse un camino

tan conductivo como un conductor elctrico. La corriente de neutralizacin comienza a fluirrpidamente y produce un campo magntico en relacin a la misma. Ya que estas corrientes dedescarga crecen rpidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperios, lospulsos magnticos que ellos crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducidoresultante (EMP) dentro de cualquier grupo donde existen varios cables que correnparalelamente, puede tambin ser muy significativo.

2.3.3 LOS PULSOS ELECTROSTTICOS.

Los transitorios atmosfricos o pulsos electrostticos, son el resultado directo de la variacindel campo electrosttico que acompaa a una tormenta elctrica. Cualquier conductor

suspendido sobre la superficie de la tierra, est inmerso dentro de un campo electrosttico yser cargado con un potencial en relacin a su altura, sobre la superficie de la tierra. Porejemplo, una lnea de distribucin o telefnica area, a una altura promedio de 10 metros sobrela tierra, en un campo electrosttico medio, durante una tormenta elctrica, se cargar con unpotencial de entre 100kV y 300kV con respecto a la tierra.

2.3.4 LAS CORRIENTES DE TIERRA.

La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralizacin que siguea un impacto de rayo. El proceso de neutralizacin, es consumado por el movimiento de lacarga a lo largo o cerca de la superficie de la tierra, desde el punto donde se induce la carga,hasta el punto donde termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga,proveer un camino ms conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina elrayo. Esto induce un voltaje en relacin con la carga, que se maneja en esos conductores, locual otra vez est relacionado con la cercana a donde el rayo impact. A este voltaje inducidose le llama "corriente transitoria de tierra" y aparece en alambres conductores, tuberas y otrasformas de conductores.

Aunque el proceso de descarga es muy rpido (20 microsegundos) y la relacin de crecimientoal pico es tan pequea como 50 nanosegundos, el voltaje inducido ser muy alto. Laterminacin de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos siguientes:

Puede causar arqueos a travs de la tierra a tuberas de gas adyacentes, cables osistemas de tierra.

La corriente de sobrecarga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de tierraselectrnico existente, lo cual originar una distribucin de elevacin de potencial detierra no uniforme en el sistema de tierra.


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2.3.5 EL SOBREVOLTAJE TRANSITORIO.

Se produce como consecuencia de los anteriores y pueden causar graves daos en los equiposo sistemas si no estn convenientemente protegidos. La carga electrosttica (y consecuentesarcos secundarios) es lo ms comn.

Como ejemplo tenemos la carga electrosttica y los pulsos electromagnticos que inducenaltos voltajes transitorios en cualquiera de los conductores elctricos que se encuentren dentrodel rea de influencia de esos transitorios. Estos transitorios causarn arqueos entre alambres ocables conductores y entre tuberas y tierra. Los arcos o chispas de corriente electrosttica enun punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones. Adems estos sobrevoltajespueden llegar por los conductores hacia los equipos o sistemas que estn dentro del rea deinfluencia causando fallos y averas en los mismos si estos no estn protegidos contra lassobretensiones. Debemos tener en cuenta que en un radio de 1 a 5 km desde el punto deimpacto de un rayo, las instalaciones electrnicas pueden ser perturbadas y en ocasionesdestruidas.

Las formas en que se acoplan las interferencias producidas por el rayo son:

a. Acoplamiento resistivo: al caer un rayo sobre una construccin o sobre la tierra, seproduce una elevacin del potencial elctrico que afecta a las tuberas y a los cablesenterrados y viajan a travs de ellas hasta penetrar en las edificaciones. Especial riesgocorren, como es de suponer, los cables y tuberas areas. As, un rayo es capaz deinducir corriente de 1 a 5kA y 5kV en cables subterrneos, y de 3kA y 6 kV en cablesareos.

b. Acoplamiento inductivo: Las enormes corrientes del rayo al caer a tierra mediantedescargadores establecen un camino que genera un campo electromagntico queinduce a otros conductores, de fuerza principalmente por que no estn apantallados,voltajes destructivos de varios kV.

c. Acoplamiento capacitivo: Debido a la naturaleza de alta frecuencia de los rayos seacopla capacitivamente entre arrollamientos de Alta a Baja tensin (transformadores).Provocando fallas en las fuentes de equipos electrnicos que son ms sensibles ydbiles.

Los efectos secundarios no siempre son fcilmente identificados como la causa o elmecanismo del rayo. La proteccin convencional o proteccin primaria no influir ni reducirninguno de los efectos secundarios, sin embargo si que aumenta el riesgo de un evento. Laspuntas Apartarrayos o terminales areos atraen el rayo y fortalecen una terminacin delimpacto muy cerca de la zona de influencia, causando interferencias con los equiposexistentes.

El nmero de rayos a una lnea en terreno plano se puede calcular usando la siguiente frmula:

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)2( bRNN CrgL

+=


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Donde:

Ng= Densidad de rayos a tierra de la regin en nmero de rayos a tierra por kilmetrocuadrado por ao.

RCr= Radio crtico de atraccin en metrosb = Ancho de la lnea en metros.

2.4 DISTRIBUCIN DE FRECUENCIA DE LA MAGNITUD Y FORMA DE ONDADE LA CORRIENTE DEL RAYO.

En la figura 2.1 se muestran las distribuciones de frecuencia de las magnitudes de corriente delrayo (polaridad negativa), obtenidas por: CIGRE (lnea continua) y la adoptada por IEEE(lnea punteada). La curva dada por CIGRE se obtuvo con 408 observaciones en estructuras demenos de 60 m de altura en diferentes partes del mundo. La curva de IEEE es unaaproximacin matemtica de la curva de CIGRE.

Para efectos de clculo, una representacin simple de la curva probabilstica de la magnitud de

corriente del rayo de IEEE es la siguiente:

6.2)31

(1

1)(

IIP

+=

Donde:

P(I): es la probabilidad de exceder un valor de la corriente I.

Fig. 2.1 Distribucin de corrientes de rayo.


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CLCULO DE SALIDA DE LNEAS POR FALLA DE BLINDAJE Y FLAMEOINVERSO.


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3.1 BLINDAJE.

Es una malla formada por cables de guarda que se instala sobre la estructura de la subestacin.

Cables de guarda.- Se entiende por cables de guarda una serie de cables desnudos,generalmente de acero, que se fijan sobre la estructura de una subestacin, formando una red

que acta como blindaje, para proteger partes vivas de la subestacin de las descargas directasde los rayos.

La red de cables de guarda acta como contra parte del sistema de tierras. A veces secomplementa o se sustituye por una serie de bayonetas de tubo de acero galvanizado, tambinconectadas a la red de tierras de la instalacin, que se fijan en la parte superior de los rematesde las columnas de la estructura de la subestacin.

3.2 DESCARGAS DIRECTAS A LAS LINEA.

El nmero de rayos sobre la lnea depende de la actividad de descargas para una cierta regin.

Esta actividad se define como densidad de rayos a tierra, denotado por Ng, y es el numero derayos a tierra por unidad de rea (normalmente km2) y por ao.

Para estimar el nmero de rayos que golpeara directamente a una lnea, se pueden usar dosmtodos diferentes:

c) Considerar el nmero de golpes directos en base a una funcin. En uno se propone lasiguiente relacin para lneas de distribucin:

( ) 10/28 6,0hbNgNd += ...............(1)

Donde:

Nd: Nmero de descargas en la lnea (por 100km de lnea).Ng: Densidad de rayos a tierra (km2/ao).b: Distancia horizontal entre los conductores exteriores (m).h: Altura de la lnea sobre la tierra (m).

Por ejemplo, para una lnea con una altura de 10 m, considerando una distancia despreciableentre los conductores exteriores y un valor de Ng= 1, se tiene que el nmero de descargasdirectas a la lnea es de Nd= 11,14 por cada 100km de lnea y por ao.

Mientras que para lneas de transmisin, se recomienda la siguiente formulacin:

( ) 10/4 09,1 bhNgNI += ...............(2)


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Donde:

Nl: Nmero de rayos en la lnea/100km/aoNg: Densidad de rayos a tierra/km2/aoh: Altura de los hilos de guarda.

b: Separacin entre hilos de guarda.d) Considerar el modelo electrogeomtrico para estimar el nmero de rayos que golpeara

a la lnea. Figura 3 muestra el concepto general del modelo electrogeomtrico. Puedeobservarse como existen radios de atraccin o distancias criticas que hacen decada uno de los diferentes elementos de la lnea (hilos de guarda, conductores de fase)y de la tierra. Estas distancias estn relacionadas con la corriente de pico prospectivadel rayo, por la siguiente relacin general:

bAIr= ...............(3)

Donde:

r: Radio de atraccin (Rg para la tierra, Rc para los conductores).I: Corriente pico prospectiva del rayo.A,b: Parmetros del modelo electrogeomtrico.

En general, las distancias Rg y Rc no son consideradas de igual manera (Rg=tierra-rayo,Rc=conductor-rayo), como se muestra en la tabla 3. El punto esperado del golpe de rayo, esaquel cuya zona de atraccin sea cruzada primero por la trayectoria considerada del rayo.Ntese que cada arco est calculado de acuerdo a la corriente prospectiva del rayo.Normalmente, las distancias a los hilos de guarda y a los conductores son consideradasiguales. Ver tabla 3.

Fuente A tierra b tierra A conductor b conductorYoung,et alArmstrongWhitehead

LoveEriksson

IEEE

27,06,06,4100

8,0

0,320,800,750,65

00,65

276,77,110

0,67H0,68,0

0,320,800,750,650,740,65

Tabla 3 Presenta diferentes ecuaciones para las distancias criticas.

Donde:H: Altura de la torre.


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Fig. 3 Modelo Electrogeomtrico.

La distancia mnima a los conductores en la que un rayo golpeara directamente a la lnea,denotada poryminse calcula como:

( )22min hrry = si r hymin = r si r < h...............(4)

La figura 3.1 muestra una grafica donde se observa la relacin entre la corriente de rayo y ladistancia crtica de golpe directo. Los rayos bajo la curva golpean a la lnea, los rayos sobre lacurva caen a tierra. Puesto que algunos autores proponen distancias de atraccin diferentesentre conductores y tierra, se muestra tambin una curva considerando que la distancia degolpeo para la tierra es 0,9 veces el valor definido en la ec.(4). Puede observarse que si se

consideran iguales los radios de atraccin, se tienen valores menores en cuanto al nmero derayos que caeran sobre la lnea.

Fig. 3.1 Curva de distancia crtica para determinar golpes directos a la lnea.

El nmero de rayos que golpeara a la lnea por cada 100km de lnea y por ao, se puedecalcular con la siguiente ecuacin (5):


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=0

)()min(2,0 dIIpIyNgNd ...............(5)

Donde:

p(I): Funcin de densidad de probabilidad de las amplitudes de las corrientes de rayoSi se considera p(I) como en la formula anterior, con los valores usados anteriormente para lalnea de distribucin, y el modelo propuesto por IEEE, se obtiene un valor de Nd= 7,8 contra11,4 obtenido con la ecuacin (1) indicando que es un mtodo ms conservador.

Dado que el nivel bsico de aislamiento (BIL) de las lneas de distribucin es relativamentebajo, que los valores tpicos de impedancia transitoria de los conductores son iguales omayores a 300, y que normalmente no se protegen con hilos de guarda, se puede concluirrpidamente que cualquier rayo que golpee directamente la lnea originar un flameo en elaislamiento de la misma. Esto, sin embargo, no se puede aplicar a las lneas de transmisin

que se encuentran normalmente protegidas con hilos de guarda. En este caso, un rayo quegolpea a la lnea puede terminar en los hilos de guarda o en los conductores de fase (falla deblindaje). La probabilidad de que ocurra una falla de blindaje debe calcularse para cadadiseo, ya que estas fallas representan un cierto porcentaje del nmero total de salidas de lalnea de transmisin. Las fallas de blindaje estn asociadas normalmente con valores decorriente de rayo pequeas (hasta 15kA); puesto que el BIL de las lneas de transmisin esmayor que el de las lneas de distribucin, una falla de blindaje no significa necesariamenteque habr un flameo en el aislamiento.

Si el rayo golpea a los hilos de guarda, crea ondas de corriente que generan diferencias depotencial a travs del aislamiento de la misma: si esta diferencia de potencial excede la

resistencia de aislamiento, ocurre un flameo. Este flameo se conoce como flameo inverso, elnmero de flmeos por 100km por ao se conoce como porcentaje de flmeos inversos. Lafigura 3.2 muestra una lnea de transmisin que recibe una descarga atmosfrica, y se trata depresentar el concepto general del flameo inverso. Se muestra solo un hilo de guarda en elcopete de la torre (Tt), y una fase (Ta) suspendida por la cadena de aisladores. La torremuestra la resistencia de conexin a tierra, y las ondas viajeras se muestran en el hilo deguarda y el conductor de fase.

Fig. 3.2 El flameo inverso en una lnea de transmisin.


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El mximo voltaje producido en el aislamiento de la torre ocurre cuando un rayo termina en latorre. De manera que generalmente se evalan estos eventos para conocer el comportamientode la lnea.

En la figura 3.3 se muestra el voltaje en el copete de una torre y al pie de ella, considerando

que se aplica una corriente de rayo con una forma de doble rampa. Se puede observar como laforma resultante de voltaje cambia de pendiente antes de llagar al valor mximo. Esto debido alas reflexiones que se presentan en la misma torre. La grafica esta hecha considerando que noexisten reflexiones por torres cercanas, o dicho de otro modo, que el claro entre torres es losuficientemente grande como para considerar que las reflexiones de torres adyacentes setardan en llegar.

Es importante, sin embargo, comentar que si la distancia entre torres es lo suficientementepequea, las reflexiones que llagan a la torre donde cae el rayo, disminuyen el valor de lasobretensin que se presenta.

Fig. 3.3 Voltajes calculados en el copete y al pie de una torre al recibir una descargaatmosfrica.

3.3 DESCARGAS CERCANAS.

El mximo voltaje inducido en una lnea debido a una descarga cercana, es una funcin dediferentes parmetros, como son: el valor pico de la corriente de rayo, el tiempo de cresta, lavelocidad de retorno del rayo, la altura de la lnea y la distancia entre la lnea y el punto degolpe del rayo. Si el valor de este voltaje es mayor que el BIL de la lnea, puede existir un

flameo.

S. Rusck determino que el valor mximo de voltaje inducido puede calcularse de acuerdo a lasiguiente relacin:


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23

+

=

21

1

2

11

2

0

vvvv

y

hIZVmx ...............(6)

Donde:

:500

1

1

I

vv

+

= Relacin entre la velocidad de la luz y la velocidad de retorno del rayo.

I: Corriente de rayo (KA)Zo: Impedancia del canal de la descarga (30)h: Altura de la lnea (m).Y: Distancia entre la lnea y el canal de descarga del rayo (m)

La figura 3.4 se muestra la grafica que relacionan los valores del mximo voltaje inducido

para ciertos valores de corriente del rayo contra la distancia entre el rayo y la lnea.

Fig. 3.4 Voltaje (kV) inducido a una cierta distancia para diferentes valores de corrientede rayo.

En la Ec. (3) se muestra un procedimiento que permite calcular el nmero de fallas de unalnea de distribucin por cada 100km y por ao contra el BIL de la lnea utilizando el modelode induccin de Rusck. Usando el procedimiento descrito, se puede obtener una grafica como

en la figura 3.5. Puede observarse que el nmero de fallas disminuye rpidamente al aumentarel BIL de la lnea, por lo que las lneas de transmisin no se vern afectadas en su mayora porlas descargas cercanas. Para los niveles de distribucin, sin embargo el numero de flmeosocasionados por sobretensiones inducidas es bastante grande, mayor incluso que lo que podradeberse a las descargas directas. Se hace necesario entonces establecer medidas que ayuden ala proteccin contra las sobretensiones inducidas. Esta misma figura puede utilizarse comoauxiliar para evaluar el comportamiento de la lnea si se decidiera incrementar el nivel deaislamiento de la misma. Por ejemplo, cambiar de 95 a 125kV de BIL, significa disminuir de


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23,4 a 16 el nmero de flmeos de la lnea, es decir disminucin del 32% en el numero deflmeos (23,4-16/23,4=0,32).

Fig. 3.5 No. De Flmeos/100 k km/ao vs. BIL se considera h= 10 m y Ng= 1

3.4 BLINDAJE DE OBJETOS CERCANOS.

Para lneas de distribucin en reas construidas o bosques, los rboles y los edificios cercanospueden interceptar un nmero significante de rayos directos. El factor de blindaje se defineentonces como la porcin de rayos directos que son interceptados por objetos cercanos. Elnmero de rayos directos a la lnea considerando este factor es:

)1( FBNdNb = ...............(7)|

Donde:

Nb: Numero de golpes directos a la lnea ajustadoFB: Factor de blindajeNd: Nmero de golpes calculado sin blindaje de objetos cercanos.

El factor de blindaje en reas urbanas cercanas a casas y rboles, puede variar de 0,3 hasta 0,5,pero esta disminucin de cadas directas, puede incrementar el nmero de salidas pordescargas cercanas. Este tpico es normalmente despreciado, aunque hace falta un anlisisms cuidadoso sobre los efectos que pudieran tener en las salidas por descargas de la lnea.

3.5 DETERMINACIN DEL ANGULO DE BLINDAJE PARA OBTENER UNINDICE DE SALIDAS DESEADO POR FALLAS DE BLINDAJE.

Uno de los mtodos de proteccin de lneas contra descargas es por medio del blindaje, estemtodo consiste en interceptar las descargas atmosfricas y conducirlas a tierra por medio deun conductor conectado a tierra o hilo de guarda. El hilo de guarda se instala en la parte mselevada de la torre distribucin con un ngulo respecto a su lnea vertical y el conductor defase ms externo, conocido como ngulo de blindaje, 0figura (3.6).


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3.6 ANGULO DE BLINDAJE.

La figura 3.6 muestra la variacin del ngulo de blindaje, 0, de positivo a negativo, al variarla posicin del hilo de gurda con respecto a un conductor de fase para un tipo de torre. Elobjetivo de la seleccin del nmero de hilos de guarda y su posicin es el de interceptar los

rayos y reducir las fallas de blindaje a un nmero aceptable.

Fig. 3.6 Variacin del ngulo de blindaje para un tipo de estructura de torre.

3.7 DETERMINACIN DE LA RESISTENCIA A TIERRA PARA OBTENER UNINDICE DE INTERRUPCIONES DESEADO POR FLAMEOS INVERSOS.

El proceso de flmeos inversos depende de varios factores, uno de los principales es laresistencia al pie de la torre la cual puede ser diseada para obtener un ndice de fallas porflmeos inversos.

3.8 FLAMEOS INVERSOS.

Cuando se tiene una descarga atmosfrica en el hilo de guarda se crean ondas transitorias decorriente y de voltaje que viajan hacia ambos lados del conductor, como se muestra en lafigura (3.7).

Al llegar la onda a un punto de cambio de impedancia, como lo es una torre, se producenondas reflejadas y transmitidas en la punta de la torre; estas ondas crean diferencias depotencial en los aislamientos entre los conductores de tierra y conductores de fase, endiferentes puntos de la lnea, estos puntos pueden ser a lo largo del claro o en los aisladoressostenidos en las torres. En el caso de que este potencial exceda los potenciales del aislamientose producirn flmeos entre las estructuras y conductores de fase, estos flmeos se denominan

flmeos inversos En la figura (3.8) se muestra el concepto general de flmeos inversos.


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Fig. 3.7 Representacin de la incidencia de una corriente de rayo en una lnea detransmisin y la formacin de las ondas de voltaje.

Los flmeos inversos en las torres son ms frecuentes. Por lo que para el diseo de proteccin

por flmeos inversos se deben considerar problemas por flmeos inversos en las torres,despreciando los flmeos inversos en los claros de las lneas. En general el flameo inverso esinfluenciado por los factores siguientes:

Distancias conductor-conductor y conductor-estructura. Longitud de claro entre torres. Nmero de hilos de guarda y su posicin. Geometra de la estructura. Resistencia de conexin a tierra de la torre. Punto de incidencia del rayo. Distribucin de amplitudes de corrientes de rayo y formas de onda.

Densidad de rayo a tierra de la zona. Tensin de operacin de la lnea.

Para la obtencin del nmero de salidas por flmeos inversos se consideran todos losparmetros anteriores, los cuales varan de acuerdo a su distribucin de probabilidad. Enanlisis obtenidos se consider un valor de Ns = 2,0 rayos/km2/ao.

Fig. 3.8 Concepto general de flmeos inversos.


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3.9 EFECTO DE LA INCLUSIN DE HILOS DE GUARDA.

Cuando se considera un diseo adecuado de la posicin de los hilos de gurda, se espera que lamayora de los rayos a la lnea sean interceptados por stos. Como se comento anteriormente,es necesario analizar si ocurrir un flameo inverso al presentarse esta situacin. Actualmente

se considera que las lneas deben protegerse con hilos de guarda que tengan ngulos deblindaje de cero grados, e incluso con ngulos negativos. Utilizando el modeloelectrogeomtrico, es posible determinar un ngulo de blindaje perfecto, es decir un ngulotal de manera que las fallas de blindaje no se presenten, siendo necesario analizar solamente elcomportamiento ante flmeos inversos.

Normalmente, una lnea de distribucin no est protegida con hilos de guarda; pero si seincluyen, es necesario analizar el efecto que tiene sobre el comportamiento de la misma antecargas directas y descargas cercanas. Puesto que el nivel de aislamiento es bajo paradistribucin, un rayo que termine en el hilo de guarda tiene muy alta probabilidad de generarun flameo inverso en el aislamiento de la misma. Ante una descarga cercana, sin embargo, lapresencia de conductores aterrizados puede reducir las sobretensiones inducidas. S. Rusckdetermina un factor de blindaje, dado por la siguiente ecuacin:

RaZaa

Zax

hx

hafg

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+= ...............(8)

Donde:

ha: Altura del hilo de guardahx: Altura del conductor xZax: Impedancia de acoplamiento entre el hilo de guarda y el conductor x.

Ra: Resistencia de aterrizamiento del hilo de guarda.

Esto permite calcular reducciones del 25 al 40% en las sobretensiones inducidas. Paraobservar como se refleja esta reduccin en el nmero de flmeos, considere una lnea de13,8kV y con un BIL de 95kV. De acuerdo con la figura (3.5) se tendran 23,4 salidas por cada100 km por ao. Si consideramos una reduccin en las sobretensiones del 30%, utilizaramosun BIL de 14,11. Esto significa una reduccin en un 39% en el nmero de flmeos para lamisma lnea.

3.10 IMPEDANCIA TRANSITORIA DE CABLES DE BLINDAJE, CONDUCTORES,TORRES Y SISTEMAS DE TIERRA.

La impedancia transitoria de cables, ya sea de blindaje o conductores de fase a una alturasobre el nivel de tierra, se calcula con la relacin siguiente:

C

C

tr

hInZ

260= ...............(9)


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Donde:

hC= altura del conductor sobre el nivel de tierra (m)rC= radio del conductor (m)

La impedancia transitoria de conexin a tierra al pie de la torre puede considerarse constante(resistencia al pie de torre) para efectos de simplificacin de clculos.

3.11 PROPAGACIN DE ONDAS EN CABLES DE BLINDAJE Y CONDUCTORESDE FASE.

Al iniciar una descarga atmosfrica en un cable de blindaje o conductor de fase se inyectara lacorriente del rayo en el conductor y se producir una onda de voltaje proporcional al productode la impedancia transitoria del conductor y la mitad de la corriente del rayo, como:

tr

t ZtI

tV

2

)()( =

Donde:

Vr = voltaje transitorio (V)Ir(t) = corriente de rayo (A)ZZt = impedancia transitoria del conductor ()

Estas ondas se propagan o viajaran, con una velocidad aproximada a la velocidad de la luz(300 m/s), hacia ambos lados del conductor hasta encontrar un camino a tierra. La onda decorriente y de voltajes sufrirn cambios en magnitud y forma de onda.

3.12 ATENUACIN Y DISTORSIN DE ONDA POR EFECTO CORONA.

La atenuacin y distorsin de las ondas al viajar por los conductores se debe principalmente ala prdida de energa la cual depende de las caractersticas del conductor, principalmente desus dimensiones y su ubicacin. El efecto corona es una manera de prdida de energa a travsde la ionizacin alrededor del conductor. Este efecto consiste en la disipacin de la energa enel aire, la cual forma una corona conductiva alrededor del conductor y est relacionadodirectamente con el voltaje y el radio del conductor. El voltaje de iniciacin de corona estdado por:

)2

(C

CCC

r

hInrEV =

Donde:

rc = radio de coronah = altura del conductorEc = esfuerzo dielctrico en aire para campo elctrico uniforme (3 x 10 6V/m)


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En la figura (3.9) se muestra la atenuacin y distorsin debido a corona para diferentestiempos de cola de la onda.

Fig. 3.9 Atenuacin y distorsin debido a corona para diferentes tiempos de cola.


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DETERMINACIN DE LA RESISTENCIA A TIERRA Y CLCULO DE LACADENA DE AISLADORES.


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4.1 SISTEMA DE CONEXIN A TIERRA.

En el diseo de subestaciones elctricas, se hace necesaria la existencia de varias conexiones atierra (puesta a tierra). En condiciones normales de operacin estas conexiones conducencorriente de magnitudes muy pequeas, solamente debidas al desbalance que existe en el

sistema elctrico.En condiciones de operacin anormal donde la conexin a tierra adquiere importanciafundamental, ya sea por la ocurrencia de fallas a tierra, por transitorios durante maniobras eninterruptores o por sobretensiones debidas a descargas atmosfricas; donde el sistema detierras conduce corrientes de magnitudes importantes.

La circulacin de corrientes de falla a travs de las conexiones a tierra, producesimultneamente elevaciones de potencial del equipo conectado a tierra y gradientes depotencial sobre la superficie de terreno. Estas situaciones representan un peligro real deelectrocucin al personal y esfuerzos adicionales sobre el aislamiento de los equipos. La

eliminacin de estos peligros se lograra, mediante la disminucin de la resistencia deconexin a tierra hasta valores cercanos a cero.

Es evidente que el diseo de un sistema de conexin a tierra propicia la operacin adecuada deun sistema elctrico, tambin lo es que, los procedimientos de diseo existentes involucran lainteraccin de una serie de elementos complejos y an probabilstico; por lo que es necesarioen la actualidad, el uso de mtodos de anlisis asistidos por computadora con el fin de lograrmtodos de diseo efectivos y econmicos.

Es importante sealar que an contando con los mejores herramientas computacionales y elconocimiento actualizado sobre la materia, el diseo de un sistema de conexin a tierra noresulta un procedimiento exacto, ya que se pueden existir discrepancias entre los valorescalculados a los valores medidos de la red, debido principalmente a: Errores de medicin,heterogeneidad en la resistividad del terreno, la interaccin con otros elementos metlicosenterrados en la vecindad del electrodo de conexin a tierra, etc. Por lo que es necesario que eldiseador tenga conocimientos profundo de la teora relacionada, a fin de conocer el efectoque sobre el sistema aporta cada una de sus componentes y an complementarlo con laexperiencia adquirida en el trabajo de campo.

Tambin para el diseo de una subestacin elctrica, es necesario definir diversas conexionesa tierra (puesta a tierra) para conectar a la propia red de tierra los neutros, tanques y carcazasde los equipos, los cables de guarda, las estructuras metlicas y todas aquellas partes metlicasque deben estar a potencial de tierra, logrando las siguientes funciones principales:

a) Proveer un medio de muy baja impedancia que permita disipar las corrientes elctricasa tierra, evitando exceder los lmites de diseo de los equipos.

b)

Proporcionar una trayectoria a tierra para el neutro de los sistemas o equipos elctricosque as lo requieran, limitando la aparicin de potencial en el neutro de un sistema enestrella aterrizado.

c)

Contar con un medio seguro que aterrice los equipos elctricos cuando estn enmantenimiento.


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d) Facilitar la operacin de los relevadores que eliminan las fallas a tierra del sistema.e)

Disipar la corriente asociada a las descargas atmosfricas, limitando las sobre tensionesgeneradas.

f) Limitar la elevacin de potencial de la red a valores aceptables, cuando ocurre una fallaa tierra.

g)

Evitar que durante la circulacin de estas corrientes de tierra, puedan producirsediferencias de potencial entre distintos puntos de la subestacin, que puedan serpeligrosas para el personal.

h) Proporcionar mayor confiabilidad, continuidad y seguridad al sistema elctrico.

Adicionalmente a las funciones descritas, una buena conexin a tierra, abate el costo delequipo utilizado, minimiza la radio interferencia y se reducen los niveles de aislamiento de losequipos (tensin de aguante al impulso) y la magnitud de la estabilidad transitoria.

La oposicin que se presenta a la circulacin de la corriente de falla a tierra se llamaresistencia de tierra, por lo tanto, el objetivo de una conexin a tierra es facilitar la disipacinde la corriente de falla.

La circulacin de corrientes de falla a travs de las conexiones a tierra, produce a su vezelevaciones de potencial del equipo conectado a tierra y gradientes de potencial sobre lasuperficie del terreno. Las circunstancias que pueden provocar una descarga elctrica son lassiguientes:

A) Una corriente de falla a tierra relativamente alta en relacin con el dimensionamiento delsistema de tierra.

B) Gradientes de potencial altos en uno o varios puntos de la superficie de la tierra, debidos ala resistividad elevada del terreno, que provoca una inadecuada distribucin de la corrientea tierra.

C) La presencia de una persona en un determinado lugar que provoque continuidad en dospuntos con alta diferencia de potencial.

D) Ausencia de una resistencia de contacto suficiente o de otras resistencias en serie quelimiten, a un valor seguro, la corriente a travs del cuerpo.

E) Tiempo suficiente de duracin de la falla y del contacto del cuerpo (flujo de corriente atravs de l), tal que cause dao considerando una intensidad de corriente dada.

F) En las discontinuidades de las envolventes de las subestaciones en SF6, se producentransitorios de alta frecuencia que se transfieren peligrosamente al exterior.

En los sistemas elctricos, el mtodo de aterrizamiento puede determinar la magnitud de lassobre tensiones tanto en estado estable como en estado transitorio. Los sistemas no aterrizadosestn sujetos a sobretensiones muy elevadas que reducen la vida de los equipos,principalmente en los transformadores y mquinas rotatorias.

Como se indica en la utilizacin del sistema slidamente aterrizado para limitar lassobretensiones, en 400 y 230kV. En 23kV los transformadores se conectan a tierra a travs deuna reactancia con objeto de abatir la magnitud de la corriente de corto circuito a tierra.


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Por lo anterior, se debe disear un sistema de tierra adecuado y seguro que ayude a cumplir lasfunciones descritas. Una resistencia baja del sistema de tierra, no implica en s una garanta deseguridad. No existe una relacin simple entre la resistencia del sistema de tierra en conjunto yel potencial mximo de choque que pueda sufrirse; la peligrosidad disminuye al desarrollardiseos de tierra adecuados, considerando que una subestacin de baja resistencia a tierra

puede ocasionalmente hacerse peligrosa y, por el contrario, subestaciones con alta resistenciapueden ser seguras. La corriente de falla a tierra total, provoca elevacin en el potencial, ycuando se cuenta con cables con pantalla, neutros aterrizados, barras aisladas en gas SF6,alimentadores subterrneos, etc., se provee una trayectoria de baja impedancia en paralelo deretorno hacia la fuente, que abate la magnitud de las sobretensiones esperadas.

Con objeto de facilitar la compresin de los conceptos relacionados con el sistema de tierra ensubestaciones elctricas, a continuacin se definen algunos trminos esenciales relacionadoscon las secciones del presente captulo.

4.2 A TIERRA.

Conexin conductora, intencionada o accidental, entre un circuito o equipo elctrico y elterreno natural o algn cuerpo conductor que sirva como tal.

4.3 APARTARRAYO.

Elemento de proteccin de equipos y materiales elctricos contra sobretensiones.

4.4 BARRA DE TIERRA.

Conductor comn para interconectar los conductores de puesta a tierra que a su vez se conectaal sistema de tierra en uno o varios puntos. Este puede ser cable, una barra o solerageneralmente de cobre.

4.5 CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA.

Conductor que se utiliza para conectar a tierra, en el punto requerido, las cubiertas metlicasde los equipos y otras partes metlicas que pudieran transportar corrientes indeseables a travsde ellas (grounding conductor en ingls).

4.6 CONDUCTOR PUESTO A TIERRA.

Es el conductor de un circuito o sistema que intencionalmente se conecta a tierra, como es elcaso del conductor neutro (grounded conductor en ingls).

4.7 CORRIENTE A TIERRA.

Es la corriente que se inyecta a la tierra, ya sea en el conductor de puesta a tierra, en la malla,en la red en el electrodo de tierra.


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4.8 CORRIENTE DE FALLA A TIERRA.

Es el valor mximo de la corriente de corto circuito que fluye durante una falla de fase a tierra.

4.9 DISCONTINUIDAD.

Un corte deliberado en la continuidad de la envolvente del conductor primario de unasubestacin aislada con gas (SAG), para evitar que la corriente circule de una Seccin a laadyacente y se presente un cambio significativo en la impedancia transitoria.

4.10 EFECTIVAMENTE ATERRIZADO.

Conexin a tierra a travs de una impedancia suficientemente baja donde:

1

0

X

X< 1 y

1

0

X

R< 3

Donde:

X0, X1 son las reactancias tanto secuencia cero como secuencia positiva de reactores otransformadores; R0es la resistencia de secuencia cero.

4.11 ELECTRODO DE TIERRA.

Cuerpo metlico conductor o conjunto de cuerpos conductores agrupados y enterrados cuyafuncin es establecer el contacto conexin con la tierra, en la cual los conductores desnudospara interconexin con el electrodo, se consideran parte de este.

Generalmente se emplean varillas de acero-cobre de tres metros de longitud.

4.12 ELEVACIN DE POTENCIAL DE TIERRA (EPT).

Tensin mxima que la red del sistema de tierra de una subestacin puede relativamentealcanzar, en un punto aterrizado que esta al mismo potencial de un sistema de tierra remoto.

4.13 MALLA.

Interconexin de conductores longitudinales y transversales enterrados generalmente en forma

horizontal.

4.14 RED DE TIERRA.

Porcin metlica subterrnea de un sistema aterrizado que disipa hacia la tierra todo flujo decorriente. La red se compone en general de varias mallas interconectadas entre s (groundinggrid en ingls).


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4.15 RESISTENCIA DE TIERRA.

Resistencia ofrecida al paso de la corriente elctrica hacia el sistema d

tasa d contorneamiento leer

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