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CoordinacióN De La Aislacion

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CoordinacióN De La Aislacion

  1. 1. CORDOBA HERNANCOORDINACIÓN DE LA AISLACION
  2. 2. INTRODUCCIÓN Es uno de los aspectos más importantes en el diseño de estaciones. Las fallas más frecuentes son las ocasionadas por la ruptura dieléctrica de los medios aislantes. Tales niveles de aislación demandarán mayores costos de instalación, con incidencia muy significativa
  3. 3. Definiciones IRAM 2211 (adaptación de la IEC Publication 71/1967): “Conjunto de disposiciones tomadas:  con el objeto de evitar daños a los aparatos eléctricos debido a sobretensiones, y  para localizar las descargas de arco (cuando no se las puede evitar económicamente) en los puntos en los cuales no pueden causar daño. Estos objetivos se logran estableciendo una adecuada correlación entre:  las condiciones que debe resistir la aislación de los aparatos,  las sobretensiones a las que pueden estar sometidos en servicio, y  las características de los dispositivos de protección contra sobretensiones”.
  4. 4. DEFINICIONES IEC Publication 71/1976: “Comprende la selección de los niveles de aislación de aparatos y equipos, y su implementación, en función de las tensiones que pueden aparecer en la red a que dichos equipos están destinados, y tomando en consideración las características de los dispositivos de protección disponibles, todo ello realizado de modo que se reduzca a un nivel aceptable, desde los puntos de vista técnico (de operación) y económico, la probabilidad de que las solicitaciones dieléctricas que los equipos han de soportar deterioren su funcionamiento o afecten la continuidad de servicio”.
  5. 5. Razones Tendencia a operar: Con mayores transferencias de potencia con mayores voltajes nominales de operación Calidad de Servicio. Se expresa en términos de la duración y la frecuencia de las interrupciones de servicio.
  6. 6. Aspectos a tener en cuenta Determinación de las solicitaciones dieléctrica. Investigar el comportamiento de los aislamientos bajo tales solicitaciones, en distintas condiciones ambientales. Definir los niveles de aislación adecuados.  elgrado de confiabilidad requerido  un riesgo aceptable de falla
  7. 7. SOLICITACIONES DIELÉCTRICAS Tipos:  Normales: IEC 71-1 (1976), art. 39 a En lo concerniente a la tensión de servicio normal, el aislamiento debe soportar en forma permanente la máxima tensión del equipamiento. Aspectos relevantes  envejecimiento natural  condiciones de contaminación
  8. 8. SOLICITACIONES DE INTERÉS Norma IEC 71-1, artículos 3,4 y 5. Tensión nominal del sistema Tensión máxima del sistema Máxima tensión del equipamiento (Um)Todas las solicitaciones dieléctricas que el equipo debe soportar están referidas a esta Um
  9. 9. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU ORIGEN Sobretensiones de Origen Externo
  10. 10. INCIDENCIA SOBRE LA RED ELÉCTRICA Los fenómenos atmosféricos, y principalmente las caídas de rayos, producen ondas viajeras, que provocan, según estadísticas:  el 26% de las interrupciones en servicio en líneas de 230 kV  el 65% de las interrupciones de servicio en líneas de 345 kV
  11. 11. SOBRETENSIONES TRANSITORIAS POR INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA
  12. 12. IIMPACTÓ DE RAYOS
  13. 13. SOBRETENSIONES DE ORIGEN INTERNO Tales sobretensiones se caracterizan por tener:  Un estado estacionario inicial  Un estado transitorio intermedio (caracterizado por variaciones amortiguadas de tensión)  Un estado estacionario final Las causas más importantes que las originan son: Energización / reenergización de líneas largas Irrupción o supresión abrupta de fallas Interrupción de corrientes capacitivas o inductivas Desconexión de cargas en el extremo de una línea larga Etc.
  14. 14. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA FORMA DE ONDA DE LA SOBRETENSIÓN Descargas atmosféricas Sobretensiones de maniobra Sobretensiones temporarias  Estacionarias o con variaciones lentas de amplitud.  subsiguientes a sobretensiones de maniobra  por efecto Ferranti  por autoexcitación de generadores  De frecuencia industrial  Ferrorresonancia  Sobretensiones temporarias continuas
  15. 15. Condiciones de Servicio Ambientales  a1) Atmosféricos  a2) Meteorológicos  a3) De contaminación Otros  Envejecimiento  Esfuerzos mecánicos  Impactos  Calentamiento propio o excesivo del servicio  Choques térmicos  etc.
  16. 16. REDUCCIÓN Y CONTROL DE LAS SOBRETENSIONES Medidas  Sinfalla de la aislación  Con falla de la aislación
  17. 17. ONDAS NORMALIZADAS Comportamiento de los aislamientos frente a las distintas solicitaciones no es fácil de inferir. Para ello se recurre a pruebas de laboratorio a escala real, ya sea sobre prototipos o sobre los equipos completos, para estudiar y conocer cuál es el comportamiento más probable del aislamiento frente a las condiciones operativas esperables.
  18. 18. TIPOS Sobretensión de impulso atmosférico (IEC Publ. 60, IRAM 2318) (V. Figura DRF_401.jpg)
  19. 19. PARÁMETROS tf= tiempo de frente (Rise Time o Front Time)  Para ondas de tensión con un tiempo de frente menor o igual que 30 [ s], es la duración virtual del frente de onda, en [ s].  tfv = 1.67 (t0.9 – t0.3) [μseg]  Para una onda de corriente, se calcula mediante la expresión:  Para ondas de tensión con un tiempo de frente menor o igual que 30 [ s], es la duración virtual del frente de onda, en [ s].  tfv = 1.67 (t0.9 – t0.3) [μseg]
  20. 20. PARÁMETROS Origen convencional de tiempos en una onda de impulso.  norma IRAM 2318  Para ondas de tensión  Para ondas de corriente ˆ U pf Pendiente convencional del frente de ondaf t tc = tiempo de cola(Tail Time) = 50 [ s] ± 20% U = valor de cresta ( ó valor de pico) = valor normalizado ± 3%
  21. 21. ESPECIFICACIÓN TÍPICA (VALORES CONVENCIONALES) Especificación típica (valores convencionales): 1.2 / 50 [ s]. Ecuación estándar
  22. 22. SOBRETENSIÓN DE IMPULSO DE MANIOBRA (IEC PUBL. 60) Especificación típica (valores convencionales): 250/ 2500 [ s]
  23. 23. Sobretensiones (AC) de frecuencia industrial Sobretensiones continuas (DC) Ensayos DRF_403.jpg La evaluación de un ensayo  por comparación simple (pasa / no pasa) (“pass/fail”)  por evaluación de comparación de formas de onda.
  24. 24. GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA Frente de Onda Como R2 >> R1, que R2 se comporta como un circuito abierto C1. C 2 1 R1 C1 C 2
  25. 25. GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA  Cola de Onda 2 R 2 (C1 C 2)Parámetros L (C1 C 2) R1 2 C1. C 2 T frente T1 0.4 a 0.5 R1 2 a 2.5 veces C 2 2 a 2.5 veces C 2 C2 T2 50 71.4 R2 0.7 (C1 C 2) 0.7 C1 C1
  26. 26. GENERADORES DE IMPULSOS DE UNA ETAPA Conexión Alternativa
  27. 27. RENDIMIENTO DE TENSIÓN DEL GENERADOR Tensión máxima de impulso Tensión continua de entrada
  28. 28. AISLAMIENTOS Tipos Según su emplazamiento (IRAM 2211, Arts. C-6 a C-9)  Aislación externa: - para exteriores - para interiores  Aislación Interna Según su comportamiento después de una descarga disruptiva (IEC 71-1, Arts. 10 – 11)  Autorregenerativos (“self-restoring insulation”)
  29. 29. CURVA CARACTERÍSTICA TENSIÓN – TIEMPO DE UN AISLAMIENTO Las solicitaciones se caracterizan por los siguientes atributos:  magnitud y polaridad de la tensión aplicada  duración  forma de la onda  número de solicitaciones reiteradas  frecuencia de repetición La ruptura puede presentarse:  en el frente,  en la cresta o  en la cola de la onda de impulso de ensayo.
  30. 30. CURVA CARACTERÍSTICA U - T FRENTE A ONDAS DE IMPULSO ATMOSFÉRICAS GP 51_52.jpg
  31. 31. GEOMÉTRICO DE LOS PUNTOS DE LA CURVACARACTERÍSTICA Sobre el frente de la onda (tramo (a) de la curva de la Fig. DRF_405.jpg)  Ocurre cuando las aplicadas >> , trupt < Tcr)
  32. 32.  Estadísticamente en el pico de la onda aplicada, correspondiente a la curva “critical or 50% impulse flashover voltage” descripta anteriormente, cuyo lugar geométrico está dado por las coordenadas:  t = Tcr = Tiempo crítico= Valor de cresta de la curva “critical or 50% impulse flashover voltage” (Fig. DRF_405.jpg), que tiene lugar cuando t = Tcr = Tiempo crítico En la cola de la onda (tramo (b) de la curva de la Fig. DRF_405.jpg)  La disrupción ocurre cuando las aplicadas > , siendo conveniente consignar aquí que cada punto del tramo (b) de la característica tensión – tiempo está dado por el par (trupt, ), siendo:  (de cresta) es la tensión de cresta de la onda aplicada, que ha debido soportar el aislamiento antes de la ruptura dieléctrica en la parte descendiente de la misma (cola)  trupt , que se consigna en el momento de la ruptura dieléctrica, medido a partir de t = 0. (Ver también Fig. GP_51_52.jpg (abajo))
  33. 33. CARACTERÍSTICA U-T FRENTE A ONDAS DE IMPULSO DE MANIOBRA Para tiempos t Tcresta de la onda aplicada, los valores de la onda cercanos a (de cresta) varían mucho más “lentamente” (es decir, la onda de impulso de maniobra es considerablemente más suave y más “chata”, y sus valores se mantienen un tiempo suficiente como para asegurar con certeza la ocurrencia de una descarga disruptiva completa, si se ha superado el valor de cresta de tensión crítica de ruptura correspondiente a la forma de onda utilizada.
  34. 34. LUGAR GEOMÉTRICO DE LOS PUNTOS DE LA CURVA CARACTERÍSTICA Fig. JR_06.jpg
  35. 35. CARACTERÍSTICA U-T PARA SOLICITACIONES DE FRECUENCIA INDUSTRIAL Para estudiar cómo se comporta un aislamiento sometido en forma permanente o alternada a una tensión U de frecuencia industrial (50...60 [hz]), se aplica ésta partiendo de una amplitud 0 (o muy pequeña), y se la va incrementando rápidamente en amplitud, hasta alcanzar en unos pocos segundos un valor pre-establecido, y manteniendo esa solicitación hasta que:  se produzca una descarga disruptiva, o alternativamente  transcurra tanto tiempo que la ocurrencia de la descarga se pueda razonablemente descartar.
  36. 36. Lugar Geométrico de los puntos de la Característica Fig. JR_07.jpg
  37. 37. Característica u-t Compuesta
  38. 38. CASOS PARTICULARES DE AISLAMIENTOS Transformadores NK_08_20a.jpg
  39. 39. NIVELES DE AISLACIÓN Un aislamiento suele especificarse en términos de niveles de aislación, que son los valores de voltaje que el aislamiento deberá superar bajo condiciones de ensayo, para ser considerado apto en la aplicación prevista. Nivel de aislación básico (BIL)  Es el nivel de aislación a tensiones de impulso de tipo atmosférico: 1.2 / 50 [ s]. Este nivel se fija para:  cada tensión nominal, y  cada equipo Nivel de Aislación a impulsos de Maniobra (SIL) Nivel de Aislación a Frecuencia Industrial de Corta Duración:  Es el nivel de aislación para ensayos a 50 [hz], durante 1 minuto
  40. 40. NORMAS APLICABLES IRAM 2211/72: “Coordinación de la aislación eléctrica”. (Oct. 1972, 12 pág.)  2211-1 (Mayo 1985): Definiciones, principios y reglas  2211-2 (Mayo 1988): Guía de Aplicación  2211-3 (Julio 1988): Principios, reglas y guías de aplicación IEC 38 (1975): “I.E.C. Standard Voltages” (5th. Edition, 1975, 11 pág) IEC 71-1 (1976): “Insulation Coordination – Part I: Terms, definitions, principles and rules” (6th. Edition, 1976, 45 pág) IEC 71-2 (1976): “Insulation Coordination – Part II: Application Guide” (2nd. Edition, 1976, 127 pág)
  41. 41. PROCEDIMIENTOS PARA LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOS Aislamientos en Paralelo
  42. 42. PROTECCIÓN CON EXPLOSORES Figura NK_08_20a.jpg
  43. 43. 1ER. CASO  Pueden darse 3 sub-casos  Para ondas impulsivas û(de cresta) > Up  Para ondas cuya û (de cresta) < Up  Para ondas cuya û(de cresta) = Up 2DO. CASOSea una onda (atmosférica o de maniobra) cuyo valor de cresta û (de cresta) ocurreen Tcr > trp .En síntesis, para cualquier onda de solicitación tal que:su magnitud no supere el valor Up, ysu frente de onda no supere la pendiente Up/tpen el punto de la red considerado,un dispositivo protector “E” será eficaz frente a ella, si su curva característica V – tqueda a la izquierda de la curva del dispositivo a proteger “A”.
  44. 44. PROCEDIMIENTO GENERAL Aspectos a considerar  1°) Para cada equipo, seleccionar la aislación adecuada para soportar las solicitaciones previstas. Esto implica coordinar los niveles de aislación con la solicitaciones, en forma localizada  2°) Coordinar los diferentes niveles de aislación de todos los equipos entre sí, y con los dispositivos de control y protección, para que:  elcosto sea mínimo  se satisfaga la figura de “riesgo de falla” especificado
  45. 45. NIVELES NORMALIZADOS DE AISLACIÓNEl cuadro II tiene dos zonas:- la izquierda, que describe niveles de tensión (5 columnas) Un = tensión nominal del sistema entre fases Um = tensión máxima (del sistema) entre fases Ud = tensión nominal del descargador = máxima tensión efectiva de protección Up = nivel de tensión de protección del descargador- La derecha, que describe las tensiones de ensayo, para distintos equipos de potencia, para los ensayos de: frecuencia industrial (50 hz) de corta duración (1’) impulsoCuadro III: tiene 5 columnas:- Um = máxima tensión eficaz del equipamiento (tensión compuesta, o de línea)- Ub fase = Tensión Base de fase = Um . ( 2 / 3) = valor pico (* 2) de la tensión de fase (/ 3) cuya tensión de línea es Um. (Se utiliza para expresar las tensiones en p.u.)- Umáx maniobra (para impulsos de maniobra) = k [p.u.] * Ub fase donde k define valores de ensayo (mínimos, máximos) a través de coeficientes [p.u.], referidos al valor de Umáx.- R = razón [p.u.] entre valores de la 3ª. y 5ª. columna. Son siempre mayores que 1.- Umáx. atmósferica (para impulsos atmosféricos)
  46. 46. COMPLEJIDAD DE LOS DISTINTOS ENFOQUES
  47. 47. CON RESPECTO AL TIPO DE SOLICITACIÓN La Figura 10 ilustra:  en las abscisas, la tensión nominal del sistema (en [kV])  en las ordenadas, el nivel de las solicitaciones, según su tipo (en [kV])  Curva A: Ub fase (v. Cuadro III) para tensiones de frecuencia industrial  Curva B: U máx por sobretensiones atmosféricas (600 kV)  Curva C: A + B  Curva D: U máx por sobretensiones de maniobra = k * A
  48. 48. CON RESPECTO A LAS DISTANCIAS DISRUPTIVAS EN AIRE
  49. 49. CON RESPECTO A LA INVERSIÓN EN AISLACIÓN En síntesis, de lo dicho, resultaría entonces perfectamente justificable emplear dispositivos de control y reducción de sobretensiones de maniobra hasta niveles cercanos a 1.5 [p.u.] Al hacer esto, uno se aproxima a los valores de las máximas sobretensiones temporarias a 50 hz, que imponen restricciones a la aplicación de descargadores como dispositivos de protección. El problema se torna complejo si se debe tener en cuenta el problema de contaminación superficial de las aislaciones externas del aislamiento, que puede exigir una dr mayor que la dr necesaria para afrontar las sobretensiones de maniobra.
  50. 50. Para los aislamientos no auto-regenerativos, se calcula: 5, 6  BIL 1.25 · Up del descargador (1.25 = factor de seguridad) 4  BSIL (según respuesta de los descargadores a las sobretensiones de maniobra) 3  NAIM para las sobretensiones temporariasGUÍA PARA LA COORDINACIÓN DE LA AISLACIÓN EN EAT 7 - - Punto de decisión: Si los aislamientos son muy costosos, volver al punto 2 y replantear la estructura y/o los valores operativos de referencia de la red (procedimiento eventualmente recursivo, por aproximaciones sucesivas)Bloque Tarea a realizar 1 Determinación de la Tensión de servicio Una vez determinado el punto 7, con todas sus eventuales recursividades: Para los aislamientos auto-regenerativos: 2 -Determinación deBIL, ya características estructurales no se evalúa aquí la de la red Aquí no se les calcula las que no llevan descargadores asociados.  y operativas influencia de las (conectividad, valores de tensiones deareferencia en los nodos, etc) descargas atmosféricas, sino más adelante (v. Bloques 9 12) - 4, 5, 6  BSIL, según las máximas sobretensiones de maniobra esperables (fseguridad: entre 1.15 y 1.25) 83 -Cálculo de sobretensiones temporarias NAIM mínimo, superior a las sobretensiones temporarias - Punto de decisión: 4 Cálculo aislamientos auto-regenerativosde maniobra al punto 2 y replantear estructura y valores operativos Si los de sobretensiones son muy caros, volver Condela referencia de recursivo),los resultados de calcularse adopta un nivel de referencia (procedimiento 2. y recalculando 4 y volviendo a 3., 8. 5 aislación general (para todos los equipos – autorregenerativos o no – del 9 sistema) Determinación de las características de las descargas atmosféricas en la zona geográfica de la instalación 3, 5  se eligen los descargadores de sobretensiones. Su Vnominal debe Determinación de -serResistencia de p.a.t. de torres y estructuras máximas sobretensiones temporarias. ligeramente superior a las - Cable de guardia 10 -- Se adopta el número, asignación y posición de los descargadores BIL de las líneas 6 - - Disposición de los aparatos en la subestación aislamientos no auto-regenerativos. destinados a proteger a los Cualquier otro dato que sea relevante 9, 10  Cálculo de sobretensiones protección obtenido, vg. la magnitud (en kV) a la que - Se fija el nivel de atmosféricas (kV) sobre los aislamientos auto-regenerativos (no protegidos): 11 quedan reducidas las máximas sobretensiones atmosféricas por Se elige el BIL de los aislamientos auto-regenerativos - acción de los descargadores Puntos de decisión: 1) Con respecto a los niveles de aislación Si el BIL es suficiente, y 12 El NAIM elegido (en 8) anteriormente es compatible  FIN 2) Con respecto al costo Si es demasiado oneroso, volver a 10, y replantear algunas características de la instalación
  51. 51. FIN CORDOBA HERNAN JOSE LUIS MONTERO

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