Las tres tensiones nominales (U o

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1 Las tres tensiones nominales (U o, U, U m de un cable de alta tensión (U o mayor a 1 kv, 50 Hz y los factores de fallas a tierra de la red según las normativas argentina e internacional Por Ing. Juan Carlos Arcioni, IRAM CGN CEE 1. Introducción En esta nota técnica presentamos las definiciones de esas tres tensiones nominales de los cables y las de los factores de fallas a tierra de la red, según las normas argentinas IRAM y las internacionales de la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional, según sus siglas en inglés. Por nuestra parte agregamos un concepto del factor de falla a tierra nominal del cable que resulta de aplicar las U o, U (U m de ese cable y es intrínseco al cable para la red que tiene su propio factor de fallas a tierra y que se deben coordinar con una adecuada eliminación de las fallas de fase (línea a tierra. 2. Definiciones de las tensiones propias del cable y de sus accesorios (empalmes, terminales, etc. y sus designaciones técnicas U o : La tensión nominal en valor eficaz a frecuencia industrial (50 o 60 Hz, etc. entre cada uno de los conductores y la pantalla o la envoltura, para la cual se diseñan el cable y sus accesorios y con la que se designan. U: La tensión nominal en valor eficaz a frecuencia industrial (50 o 60 Hz, etc. entre dos conductores cualesquiera para la cual se diseñan el cable y sus accesorios y con la que se designan. Nota: Esta magnitud eléctrica U solamente es de importancia para el diseño de los cables a campo no radial y sus accesorios (ver nuestra figura 2. U m : La tensión máxima en valor eficaz a frecuencia industrial para la cual se diseñan el cable y sus accesorios. Es el valor eficaz mayor de la tensión que puede ser soportada en condiciones normales de explotación en cualquier instante y en cualquier punto de una red o sistema. Ella excluye las variaciones temporarias de tensión debidas a condiciones de fallas o la supresión (desconexión brusca de cargas importantes. U p : Valor de cresta (pico de la tensión resistida a los impulsos atmosféricos (por rayos entre cada 120 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012

2 conductor y la pantalla o la envoltura, para la que se diseñan el cable y sus accesorios. En conclusión, los cables se deben designar por U o ; U y U m para dar una información que guíe sobre la compatibilidad entre los cables y el equipamiento (seccionadores, interruptores, etc. y los transformadores de la red. En nuestro Anexo 1 reproducimos la tabla I que da esa información según la norma internacional IEC 60183:1984 (+ Amd. 1: [1] 3. Definiciones de las tensiones propias de la red o el sistema en la cual se utilizarán el cable y sus accesorios 3.1 Tensión nominal de la red Valor eficaz de la tensión entre fases para la cual se establece y con la cual se designa la red y a la que se vinculan ciertas condiciones de servicio (características operativas. 3.2 Tensión máxima de una red trifásica Máximo valor eficaz de la tensión entre fases que puede haber en las condiciones de funcionamiento (condiciones operativas normales en cualquier instante y en cualquier punto de la red. Se excluyen los regímenes transitorios de tensión, como los debidos a las maniobras, y las variaciones temporarias de tensión causadas por las condiciones de explotación anormales, tales como las debidas a fallas o a la supresión brusca (súbita de cargas importantes. 3.3 Sobretensiones de origen atmosférico -por rayos- Sobretensión de fase a tierra o fase a fase en un lugar dado de una red causado por la descarga de un rayo u otra causa, cuya forma de onda se puede considerar, para la coordinación de la aislación, como si fuera idéntica a la forma de la onda de impulso normalizada (apartado 51 de la IEC y la IRAM que se utiliza para los ensayos de tensiones resistidas de impulso atmosférico. Estas sobretensiones atmosféricas son generalmente unidireccionales y de muy corta duración. 4. Condiciones de servicio de un cable de alta tensión (U o mayor a 1 kv según IEC [1] Las condiciones de servicio de un cable de alta tensión según IEC son las siguientes. - Condiciones de funcionamiento (condiciones operativas: son nueve, desde a hasta j. - Condiciones de instalación: cables subterráneos a a k ; cables aéreos a a e. A continuación, mencionaremos las cinco primeras condiciones de funcionamiento (operativas de la IEC a Tensión nominal de la red (U, según nuestro capítulo siguiente b Tensión máxima de la red trifásica (U m, según nuestro capítulo siguiente c Sobretensión de impulso atmosférico -por rayos- (ver el 3.3 anterior d Frecuencia de la red (50 Hz en la Argentina e Tipo de puesta a tierra de la red y, cuando el neutro no está directamente (efectivamente puesto a tierra, se debe indicar la duración máxima admisible para las condiciones de fallas a tierra en cada una de las ocasiones (h/falla y su duración anual total (h/año. 5. Las tensiones nominales U o de los cables según 1.3 de IRAM [2] e IEC [1] Las tensiones eficaces nominales normalizadas U o / U (U m de los cables considerados en esta norma son las siguientes: U o 2,2/3,3 (3,6; 3,8/6,6 (7,2; 5,2/6,6 (7,2; 7,6/13,2 (14,5; 10,5/13,2 (14,5; 19/33 (36; 26/33 (36 kv eficaces. En las designaciones de las tensiones de los cables U o antes indicadas, se tiene que U o es la tensión nominal a frecuencia industrial entre el conductor Ingeniería Eléctrica Diciembre

3 y el blindaje, o la pantalla, metálico para la cual está diseñado el cable; U es la tensión nominal a frecuencia industrial entre los conductores para la cual está diseñado el cable, y U m es la tensión máxima para el equipamiento (ver IRAM Categorías: En la tabla 2 se indican, para cada valor de la tensión U, los valores correspondientes de Uo en función de las características de la red que, al efecto, se definen de la forma siguiente. Categoría I: Comprende las redes en que, en el caso de falla de una fase contra tierra, el cable es retirado de servicio en un tiempo máximo de una hora. Cuando se utilicen cables con conductores aislados, individualmente apantallados, (ver figura 1, página 127 pueden ser toleradas duraciones más prolongadas, pero en ningún caso dichos períodos deben ser mayores a ocho horas. Se debe preveer que estas situaciones anormales no se presenten frecuentemente y se recomienda que la duración total anual de las fallas contra tierra, en cualquier año, no exceda de 125 horas (125 h/año. Categoría II: Comprende todas las redes que no están incluidas en la categoría I. Si el cable es usado en un sistema (red en donde una falla a tierra Tabla 2: Categorías del cable de acuerdo con las tensiones de la red Tensión nominal de la red U (V Tensión máxima de la red Um (V no es automática y rápidamente eliminada, el esfuerzo dieléctrico adicional sobre la aislación del cable durante la falla reduce en cierto grado la vida útil de la aislación. Por esto, si el sistema eléctrico está previsto para operar con bastante frecuencia con una falla a tierra permanente se debe adoptar la categoría II. En las figuras 5.1 representamos las funciones U o =f (U m ; categoría I o II según IRAM [2], y en la figura 5.2, la función U o = f (U m ; categoría A, B o C según IEC :2005 [3]. Categoría Tensión entre un conductor y tierra Uo (V II 2300 I II 5200 I II I II Nota: Para redes cuya tensión máxima permanente no esté incluida en la tabla, se considera el valor inmediato mayor Categoría de la red según IEC A B B Neutros de la red donde se instala el cable Efectivamente puestos a tierra (con eliminación rápida de fallas Ídem, pero sin eliminación rápida ( 1 min/falla de fallas a tierra Las demás situaciones (neutro aislado, etc. 6. Las categorías A, B y C de las redes según IEC :2005 [3] a Hemos comprobado que las categorías I y II de IRAM 2178:2004 realmente se refieren a ciertas redes eléctricas trifásicas cuyos neutros están puestos a tierra efectivamente pero cuyas fallas fase-tierra se eliminan dentro de 1 a 8 h/falla. Las categorías A, B y C de IEC :2005 se refieren a todas las redes con neutros puestos a tierra efectiva o no efectivamente de la manera siguiente: Tiempos de eliminación de fallas a tierra 1 min/falla De 1 a 8 h/falla pero hasta 125 h/año Tiempos mayores que los citados 122 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012

4 b Un ejemplo práctico para U m =14,5 kv, U n =13,2 kv, 50 Hz de una red trifásica argentina con neutro efectivamente puesto a tierra. En la figura 6.1 se representa el diagrama vectorial (fasorial en escala. El neutro N de la red trifásica de fases (líneas L1, L2 y L3 está puesto a tierra efectivamente. En tal condición, cuando ocurre una falla a tierra en la fase (línea L1, el neutro N se desplaza vectorialmente (fasorialmente hacia el punto E, suponiendo una falla fuertemente inductiva (ver el ejemplo del profesor Langrerh de las figuras 6.2 y 6.3. En la figura 6.1, las tensiones contra el punto E de la falla a tierra son las siguientes: U (L1, E = 3,2 kv en la fase fallada (averiada U (L2, E = 10,5 kv en una de las dos fases sanas U (L3, E = 10,5 kv en la otra fase sana Las tensiones contra tierra originadas por la falla monofásica a tierra U (L1, E; U (L2, E; U (L3, E se mantienen hasta tanto sea eliminada la falla a tierra (-por los reconectadores, los interruptores, los operadores de la red-. Nota: Debe observarse que el valor 10,5 kv corresponde a la U o = 10,5 kv de la categoría II de IRAM 2178:2004 para un cable de U o = 10,5/13,2 (14,5 kv = categoría II. Entonces, hay un factor de falla a tierra (ver anexos 2, 3 y 4, digamos nominal, de ese cable de U o que es el siguiente: k n = U o /(U m / 3 = 10,5 kv/8,4 kv = 1,25 E N siendo k n = 1,25 < 1,40 podemos decir que la red donde se instalará ese cable tendrá que tener su neutro efectivamente puesto a tierra (ver la definición 2.6 del Anexo 2 provisto de un sistema de eliminación de las fallas a tierra enlos tiempos de 1 a 8 h/falla, con un tiempo anual de hasta 125 h/año, en cualquier año. Diagrama vectorial (fasorial de la red dibujada a continuación Servicio normal: = 13,2 kv; N = 7,6 kv = 13,2 kv; N = 7,6 kv = 13,2 kv; N = 7,6 kv Tensiones con una falla en E: E = 3,2 kv E = 10,5 kv E = 10,5 kv E = 0,42 ( N EN = 0,58 ( N N Z N Figura 6.1 Red de 13,2 kv 50 Hz con neutro N efectivamente puesto a tierra (ver las figuras 6.2 y 6.3 con una falla a tierra en la fase en el punto E Z Z Z I k1 E I k1 Ingeniería Eléctrica Diciembre

5 E 0,42. U = I k Z N 0,58. U = U EN N U = Uµ Uµ Uµ Z l 1 k 1,73 1,40 1,04 U E = 1,4. U U N U I 1 Z N l 1 U E l 2 0,70 efectiva no efectiva Uµ E 0,35 puesta a tierra del punto neutro (fig. 6.2 Figura 6.2 Definiciones de las puestas a tierra efectivas del neutro N de una red trifásica (trifilar con k=1,4 (figura 6.3 según H. Langrehr Siendo: : líneas (fases N: neutro Z; Z 1 ; Z 2 : impedancias de la red (directa, Z 1 ; inversa, Z 2 U μ : tensión entre líneas (fases (tensión compuesta U LN : tensión entre línea (fase y neutro (tensión simple = U I k : corriente de cortocircuito monofásico a tierra en (punto E U E : tensión contra tierra de las fases sanas y X 0 X m Figura 6.3 Factor de falla a tierra en función del parámetro de la red (X 0 /X m de Langrehr siendo: X 0 /X m = (Z+ 3 Z N / Z Tensión nominal del cable y sus accesorios Uo (kv Tensión nominal de la red (el sistema U (kv Tensión máxima para el equipamiento y la red Um (kv 1,8 3 3, ,6 3,6 6 7, , , , , , Anexo 1 Tabla I de IEC 60183: Amd 1: : correspondencia entre U o /U y U m (las tres tensiones nominales de un cable de AT 124 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012

6 Anexo Red con neutro aislado. Red en la que ningún punto neutro tiene alguna conexión intencional con la tierra, salvo las de gran impedancia que se pueden establecer a través de aparatos de medición y de protección. 2.2 Red con neutro directamente a tierra. Red cuyo punto neutro, o sus puntos neutros, están conectados directamente a tierra. 2.3 Red con neutro no puesto directamente a tierra. Red cuyo punto neutro, o sus puntos neutros, están conectados a la tierra por intermedio de impedancias destinadas a limitar las corrientes de falla a tierra (VEI Red con neutro puesto a tierra a través de bobina de extinción. Red en la que uno o varios puntos neutros están conectados a la tierra por reactores que compensan aproximadamente la componente capacitiva de la corriente de falla monofásica a tierra. 2.5 Factor de falla a tierra. En un lugar dado de una red trifásica y para cierta configuración de explotación de esta red, es la relación entre el valor eficaz de la tensión máxima a la frecuencia de la red, entre una fase sana y tierra, durante una falla a tierra (que afecte una o dos fases en un punto cualquiera de la red y la tensión eficaz entre fase y tierra a la frecuencia de la red que se obtendría en el mismo punto si la falla no existiera (VEI Nota IRAM 1. El factor de falla a tierra es el producto por la 3 del coeficiente de puesta a tierra que se utilizó antes de este nuevo concepto. Nota IRAM 2. Este factor (mayor que la unidad caracteriza, en general, a las condiciones de puesta a tierra del neutro de una red, vistas desde un punto determinado, independientemente del valor real (de operación de la tensión de funcionamiento en este punto determinado. Nota IRAM 3. Los factores de falla a tierra se calculan a partir de los valores que, en el sistema de componentes simétricas, toman las impedancias de la red vista desde un punto determinado, adoptando las reactancias subtransitorias para cualquiera de las máquinas rotativas que intervengan. 2.6 Red con neutro puesto a tierra. Red en la cual el neutro está conectado a tierra, directamente o a través de una resistencia o reactancia de valor pequeño, suficiente para reducir las oscilaciones transitorias y mejorar las condiciones de protección selectiva contra las fallas a tierra. a Se dice que el neutro está puesto efectivamente a tierra si, cualquiera sea el lugar de la falla, el factor de falla a tierra no excede de 1,4. Nota: Este resultado se obtiene aproximadamente si, para cualquier configuración de la red, la relación de la reactancia homopolar a la reactancia directa es menor que 3 y la relación de la resistencia homopolar a la reactancia directa es menor que la unidad. b Se dice que el neutro está no puesto efectivamente a tierra si, durante una falla a tierra, el factor de falla a tierra es mayor que 1,4. Anexo 3 Versión del Anexo A de IRAM 2204:2008 en su introducción y su figura A.1 adaptadas por el autor de esta nota. Anexo A (Informativo Determinación de las sobretensiones temporarias causadas por fallas a tierra. El factor de falla a tierra k es la relación del valor eficaz de la tensión fase-tierra a frecuencia industrial más elevada en una fase sana, en un lugar dado, durante una falla a tierra (que afecte una o varias fases en un punto cualquiera y el valor eficaz de la tensión fase-tierra a frecuencia industrial que existiera en ausencia de una falla (ver IRAM El factor de falla a tierra se calcula a partir de las impedancias complejas Z 1, Z 2 y Z 0 de los sistemas directo, inverso y homopolar, teniendo en cuenta la resistencia de falla R. Se consideran las relaciones siguientes: Ingeniería Eléctrica Diciembre

7 Z 1 = Z 2 = R 1 + jx 1 : resistencia y reactancia de los sistemas directos e inversos Z 0 = R 0 + jx 0 : resistencia y reactancia del sistema homopolar Los factores de falla a tierra se calculan en el lugar de la falla. Nota: Conviene observar que en las redes muy extensas con neutro conectado a tierra mediante bobina de compensación, el factor de falla a tierra puede ser más elevado en otros lugares distintos del punto de falla. La figura A.1 muestra la situación global cuando R 1 << X 1 y R = 0 La gama de valores altos de X 0 / X 1, positivos y/o negativos, corresponden a redes de neutro aislado o conectados a tierra mediante bobina de compensación. La gama de valores bajos positivos de X 0 corresponde a redes con neutro rígido a tierra. La gama de valores bajos negativos de X 0, indicada con un rayado, no es adecuada para un factor de falla a tierra en forma de uso práctico a causa de la existencia de resonancias. tes a valores particulares de R 1 familias de curvas correspondien-. Nota: Para las redes de neutro rígido a tierra, las figuras A.2, A.3, A.4 sistencia de falla que produce el va- Las curvas se calculan con la re- y A.5 en IRAM 2204:2008 indican el lor más alto del factor de falla a tierra. Figura A.1 Factor de falla a tierra k en función de X 0, para R 1 = 0 y R = 0 Anexo 4. Tabla de las tensiones U o, U (U m de cables y factores de falla a tierra nominales k n Tensiones nominales de cables Uo, U (Um según IRAM ( Tensiones de la red Tensión nominal entre un Categoría del cable (IRAM conductor y tierra Uo Nominal U (V Máxima Um (V 2178 (V Tensión máxima fase/tierra (Um/ 3 Factor kn* II , II , I , II , I , II , I , II ,25 * Factor de falla a tierra nominal del cable kn = U o /(U m / 3 según la categoría (I o II y las tensiones nominales del cable U o, U (U m 126 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012

8 Figura 1. Esquema de un cable tripolar de campo eléctrico radial con tres conductores individualmente apantallados con pantallas sobre cada conductor y sobre la aislación del conductor. Notas: Definiciones del VEI (IRAM :1997: Pantalla (de un cable Capa/s conductora/s cuya función es imponer la configuración del campo eléctrico en el interior de la aislación. Dichas capas pueden permitir también realizar superficies lisas en el límite de la aislación y contribuir a la eliminación de los espacios vacíos en dicho lugar Pantalla sobre el conductor Pantalla eléctrica constituida por uno/s materiale/s no metálico/s y/o metálico/s que recubre/n el conductor Pantalla sobre la aislación. Pantalla eléctrica constituida por uno/s materiale/s no metálico/s y/o metálico/s que recubre/n la envoltura aislante. Figura 2. Esquema de un cable tripolar de campo eléctrico no radial Notas: 1 Cable de campo eléctrico no radial. Cable en el cual las líneas de fuerza del campo eléctrico presentan componentes tangenciales a la/s capa/s de la aislación. (Definición A.45 de IRAM : La figura es un esquema que muestra el campo eléctrico completo de un cable trifásico con sus líneas de flujo y superficies equipotenciales en un instante determinado del periodo de la corriente alterna, cuando uno de los conductores está al potencial positivo de magnitud 1 y los otros dos al potencial negativo de magnitud ½. Tabla 2: Esquema IRAM : Figura 5.1 La tensión U o en función de la tensión U m para las categorías I y II de las redes según IRAM : (tabla 2 Ingeniería Eléctrica Diciembre

9 Tabla 1: IEC :2005 Figura 5.2 La tensión Uo en función de la tensión Um para las categorías A, B y C de las redes según IEC :2005 (tabla 1 Bibliografía [1] Comisión Electrotécnica Internacional (IEC. Norma internacinal IEC 60183:1984: Guide to the selection of high-voltage cables (+AMD [2] Norma argentina IRAM Cables aislados con dieléctricos sólidos extruidos para tensiones nominales desde 1 (Um = 1,2 kv hasta 33 kv (Um = 36 kv. Parte 2: Cables de potencia para tensiones nominales de 3 (Um = 3,6 kv a 33 kv (Um = 36 kv. Revisión de IRAM durante 2012/13 [3] Norma IRAM ( [IEC (461: ] Vocabulario Electrotécnico Internacional (VEI capítulo 461: cables eléctricos [4] Norma argentina IRAM 2204:2008 Descargadores de sobretensiones. Recomendaciones para su selección y utilización [IEC :2000] [5] Arcioni, Juan Carlos a Cables de media tensión de tensiones nominales de U 0 = 3,8 kv (Um = 7,2 kv hasta Uo = 19 kv (Um = 36 kv b Propuesta de unificación de las series de valores de tensiones nominales normalizadas de IRAM 2178:2004 y de IEC :2005 c Memorándum al subcomité Cables Eléctricos de IRAM para la reunión del 5 de abril de 2006 [6] Arcioni, Juan Carlos. Ídem 5a y b, presentadas en julio, agosto, septiembre y octubre de 2012 a la atención de los colegas ingenieros Leonardo Galceran, (de Prysmian, y Jorge Osvaldo Lloveras, (de IRAM, del subcomité Cables Eléctricos de IRAM Agradecimientos Al señor Alejandro Menéndez y a las señoritas Romina Simone y Alejandra Bocchio, de Editores S. R. L., quienes colaboraron con el autor para la transcripción electrónica el original manuscrito y el diseño gráfico de las ilustraciones; todo lo cual realizaron con su habitual profesionalismo y excelente buen gusto. 128 Ingeniería Eléctrica Diciembre 2012