SOBRETENSIONES PRODUIDAS POR INTERRUPTORES AUTOMÁTIOS DE POTENIA DE, KV Y SU EFETO SOBRE OS EMPAMES Y TERMINAES DE ABES SUBTERRÁNEOS Ing. Roberto ampoy, Sub Gerente Ingeniería, a ooperativa, Empresa Eléctrica de Godoy ruz RESUMEN: a ooperativa, Empresa Eléctrica de Godoy ruz (EG), cuenta con un sistema de distribución en Media Tensión (, KV), formadoo por redes mixtas, aéreas y subterráneas, siendo estas últimas con cable monoplomo o triplomo, con aislamiento en papel impregnado y cable armado subterráneo de aislación seca (AS). Analizando los desperfectos ocurridos en empalmes del Tipo Transición y del Tipo Secopresentaban, Seco, se concluyó que los mismos en todos los casos, desperfectos de aislación al momento de producirse una falla. Generalmente al comienzo o al final de la caja de empalme. Estos defectos de aislación se convierten, en fallas entre una fase y tierra, o entre fases. De las observaciones, se concluyó, que lo que ocurría realmente, era una deformación muy pronunciada de la geometría del cable, lo que evidentemente constituye un punto de falla, pues en él el cambio de impedancia característica es evidente. En el ANEXO A, puede observarse lo expuesto. Del cuadro de definición de sobre tensiones de la IE 67[], se deduce que de las dos posibles sobretensiones, (permanentes y transitorias), las probables están relacionadas con los fenómenos transitorios, pues si bien las permanentes producen un efecto acumulativo sobre la aislación, no están relacionadas con la impedancia característica del sistema. Sí lo están las transitorias. Dentro de estas últimas se descartan las de Frente Rápido (descargas atmosféricas), por cuanto el nivel ceráunico de nuestra zona de prestación del servicio eléctrico es muy bajo, quedando entonces para su análisis, las de Frente ento, y las de Frente Muy Rápido. Típicas sobretensiones de Frente ento son las maniobras con interruptores automáticos de potencia como falla de línea corta y corte de pequeñas corrientes inductivas, siendo las de Frente Muy Rápido maniobras de capacitores y reencendido del arco. Se toma la decisión de estudiar el comportamiento del sistema ante la Falla de ínea orta (F), por cuanto los distribuidores radiales con que cuenta la EG, no superan en longitud los 5 Km y como ya se explicitó los problemas aparecían con las fallas. El tema de análisis del presente trabajo es su influencia en los empalmes y terminales de cables subterráneos. INTRODUIÓN: as sobretensiones, producto de un fenómeno de F, son propagadas, según la teoría de propagación de ondas electromagnéticas [], por lo que se hace especial hincapié en la determinación de las Impedancias aracterísticas de secuencia positiva y secuencia homopolar de los cables []. omo conclusión se plantea la metodología a seguir para la minimizaciónn de las sobretensiones sobre los empalmes y terminales, a fin de lograr una vida útil de los mismos, que se correspondan con la vida útil del propio cable. FAAA DE ÍNEA ORTA [4] [5] El esquema eléctrico del estudio, que se muestra en Figura, responde a la Figura 48 de la Norma IE 67-: Figura a Falla de ínea orta, se caracteriza por presentar dos condiciones distintas a ambos lados de los terminales del IAP, una hacia el lado fuente y otra hacia el lado línea. Este comportamiento a su vez está caracterizado por una onda errante hacia el lado línea y una onda similar a la Falla Terminal, hacia el lado fuente. a diferencia de ambas tensiones máximas, es la tensiónn efectivamentee puesta en juego entre los terminales del IAP, tal cual se ve en la Figura 48 de la IE 67-, que se reproduce en Figura. Figura ado AS ado Fuente En estee estudio en particular, no se abordará el efecto sobre el IAP, sino el efecto de éste hacia el sistema cuando se produce este tipo de falla. Esto implica el estudio de la onda errante que se produce hacia el lado carga o lado línea de la ubicación del IAP. El estudio de esta onda errante (típicamente un diente de sierra), se fundamentaa en que el
sistema es representado a través de parámetros distribuidos y no concentrados, lo que implica que existen inductancias y capacidades que no son constantes pues dependen de las dimensiones físicas del sistema por donde se propagaa la onda, en este caso, el dieléctrico encerrado por el cable de conducción de energía eléctrica y el conductor de retorno que puede ser: a) ficticio, si se considera el retorno de la corriente de fallaa solo por tierra, b) ficticio si el retorno es por tierra y por pantalla, y c) que es real si el retorno es solo por la pantalla del cable. os valores de inductancias y capacidades, serán las que determinen la Impedancia aracterística del sistema y que es la forma de representar el equivalente circuital de un AS, que en un primer momento se encuentra en estado estacionario en condición de falla, que es el de cortocircuito, y que pasa luego a un estado transitorio, como es el fenómeno de onda errante. Si se considera a la corriente de falla retornando por las tres caminos ya definidos, implica que las impedancias características no son iguales para cada situación, puesto que no son iguales las inductancias y capacidades, tanto de secuencia positiva y homopolar, para cada situación. Es por esto que se estudian las tres alternativas de retorno de corriente de falla. Además la impedancia de onda es función del tipo de falla, de la secuencia de apertura de los polos, y del tipo de puesta a tierra del neutro del sistema. Se deben analizar dos casos: ) Primer polo en abrir en caso de falla trifásica a tierra y ) Último polo en abrirr en caso de falla a tierra monofásica, bifásica o trifásica, y que involucre a este último polo. Figura. [6]. on el objeto de ser riguroso en el cálculo, se determina a continuación la Impedancia aracterística Equivalente para fallas a y 9 metros. )Ultimo polo en abrir una falla monofásica en condición de falla monofásica a tierra. Z + Zo Zequivalenteultimopolo os valores de las impedancias de secuencia positiva y homopolar del AS, para distintos tipos de AS, y considerando los posibles retornos de la corriente, se detallan en el ANEXO B. Determinadas esas impedancias, las Impedancias Equivalentes surgen de la aplicación de la fórmula mostrada arriba. Siendo los valores para los cables radiales y no radiales muy parecidos, se trabaja a partir de este momento con los datos del cable NO radial. Tensión inicial a tierra:,( KV ) Uo, (,97 ),,787KV,( KV ) Uo,9 (,897 ),,KV S es el factor de falla en línea corta Para determinar el factor de falla de línea corta se calculan las corrientes de cortocircuito. [7]. 6 S,,97 8,897 S,9 Frecuencia de oscilac ción fz, fz,9 Figura 4., 4x.,66x 4.,9 4x.,66x 588Hz Tensión pico máxima respecto a tierra: Um UnmáxKV, 85KV Pico de la Tensión Transitora de Restablecimento lado AS en KV: Un( KV ) Ul ZZ ( Ω)...( S) aladis tan ciadeldefecto ( Hy). c( Km / seg) X aladis tan ciadeldefecto 4. dis tan ciadeldefecto,6 aladis tan ciadeldefecto(,), x 4.,,6 4 aladis ta an ciadeldefe cto(,9) 4,45x 4.,9 En donde c, es la velocidad de propagación de la onda de sobretensión en el cable y se calcula a través de la siguiente expresión: c 6545Km / seg 4 4x.,66x El cálculo de la tensión pico se debe hacer para las distintas configuraciones, o sea considerando los dos factores de falla de línea corta y a su vez la falla con retorno de la corriente por el terreno, por la pantalla y el terreno y por la pantalla solamente. os resultados se exponen en la Tabla, mostrada a continuación. 796Hz
Z t Z typ Z p t t typ typ p p 7, 6Ω 54, Ω,65 S,,97 Ul -,54 KV Ul -,7 KV Ul -,45 KV Velocidad de crecimiento de la TTR, para el lado del cable: omo esta onda viaja de un extremo al otro hasta desaparecer, y durante este trayecto sufre reflexiones y refracciones, el valor de la tensión que realmente actúa sobre el empalme y terminales, que pudieran existir entre interruptor y el punto de falla, va a ser igual a la sumatoria de las ondas reflejadas y refractadas. Para esto hay que aplicar un diagrama aticce (Bewley o Bergerón) [8] [9] y para aplicarlos se debe partir de la tensión de cresta ya calculada. a onda se ve en Figura 4, y responde a la fórmula que se detallaa a continuación: Vl ZZ (Ω).. Ik" pfalla( KA).π. fz( Hz ). KV / µ seg Vl, 65( Ω).,8( KA). π.7.96( Hz). 6,66KV / µseg Z, es la impedancia equivalente del cable, para la condición de falla unipolar a tierra. Figura 4 S,897 a onda se propaga entre una Z, que es el cortocircuito en el extremo en falla, y una Z y cuyo valor está dado por el arco eléctrico que se produce en el IAP, o por una Z igual a infinito, si está abierto. Por lo tanto el valor de la onda de sobretensión se reducee a la mitad (Z) en uno de los extremos y se puede hasta duplicar (de Z con el IAP todavía cerrado a Zinfinito con el IAP abierto) en el otro. Teniendo en cuenta que el frente de onda constituye una onda viajera, el tiempo en el cual alcanzará el máximo valor de cresta sobre el IAP, será aquel que tarda la onda en salir del IAP, ir al punto de cortocircuito y volver al IAP. Este tiempo es: d.9m T 9,4 µseg c 6,5455 m / µ seg Representación gráfica de los resultados: Se utiliza a tal efecto la Figura A, de la Norma IE 67-. Figura5.,9 Ul-6,47 KV Ul -4, KV Ul-,75 KV,66 KV/useg ) Primer polo en abrir una falla trifásica a tierra. Zo. Z Zequivalen teprimerpo lo Z +. Zo Z es la impedancia de onda de secuencia positiva Zo es la impedancia de onda de secuencia negativa os valores de,, o, o, se derminan a través de sus reactancias directas y homopolares, utilizando el método de las componentes de larke para fenómenos de propagación de ondas. Tensión inicial a tierra, factor de falla en línea corta, frecuencia de oscilación, tensión pico máxima respecto a tierra y pico de la Tensión Transitora de Restablecimento lado AS en KV:,( KV ) Uo, (,77),48KV,( KV ) Uo,9 (,5) 5,7KV 4 S,,77 9 6979 S,9,5 9 fz, 588Hz 4., 4x.,66x fz, 9 796Hz 4.,9 4x.,66x Ul Z( Ω)., KV Um UnmáxKV, 85 KV Un( KV ). aladis tan ciadeldefecto aladis ta an ciadeldefe cto(,) aladis ta an ciadeldefe cto(,9) aladis tan ciadeldefecto Valores máximos ( 9,4 useg.( S) Hy). c ( Km / seg) X 4. dis tan ciadeldefecto,6, x 4.,,6 4,45x 4.,9 Figura 5 6,47 KV
Velocidad de crecimiento de la TTR, tiempo en el cual se produce el primer pico y longitud crítica: Vl Z( Ω).. Ik" pfalla( KA).π. fz( Hz). KV / µ seg Vl 9,( Ω).6,979( KA).π.7.96( Hz). 6,47KV / µ seg d.9m T 9,4µ seg c 6,545m / µ seg ctiempodelp. rimerpico ongituddondeseproducelafalla,65km / µ seg.9,4µ seg,95km Representación gráfica de los resultados Figura 6: 6545 Km / seg c) Pico de la Tensión Transitora de Restablecimento lado AS. Ul, 97 KV El sistema considerado para el estudio está conformado por un IAP, con corte del arco en vacío, en una celda de seguridad aumentada (IE 67, a prueba de arco interno), conectada a un juego de barras de, KV, de la ET Godoy ruz, estación transformadora reductora de 66 KV a, KV. Se han analizado dos tipos de AS, los cuales se hacen aéreos en un entro de Transformación ubicado a metros desde su inicio. a Figura 7 representa el caso bajo estudio, la ET, el tendido subterráneo y el entro de Transformación. os resultados se exponen en la tabla mostrada a continuación. S,77 S, 5, Z t t 4, 45Ω Ul-,87KV Ul-,97 t KV Ztyp typ, Ω Ul-,8 KV Ul-,55 typ KV p Z p 9, Ω Ul-,94KV Ul-,8 p KV Si se comparan los dos cuadros se concluye que a los efectos de las tensiones soportadas por los empalmes y terminales, es más perjudicial para ellos, soportar la apertura de una falla trifásica que una monofásica. SOBRETENSIONES EN E AS Una vez producida la falla, el IAP comienza a abrir sus contactos, los abre e introduce la ya calculada sobre tensión, y que se considerará con las siguientes características: a) Primer polo en abrir para falla trifásica a tierra. De las dos condiciones calculadas ésta es la más severa para el caso del AS, de ahí su elección. b) Velocidad de propagación de la onda de sobretensión en el cable.,9 a sobre tensión producida una vez abierto el IAP, se refleja y se refracta entre una impedancia cero, punto de la falla, y una impedancia infinita, IAP abierto. Antes de la apertura del IAP, durante el período de arco en la cámara del mismo, hay sobre tensiones sobre las fases sanas alcanzando como máximo, entre fase y tierra, el valor de la tensión compuesta, pero esto constituye una sobretensión permanente, no considerada en este estudio. Para determinar los valores a que son sometidos tanto los terminales como los empalmes, en necesario recurrir a un diagrama de Bewley tal como el que se representa en Figura 8. () Punto de origen de la sobre tensión, representa el polo abierto del IAP, con lo cual su impedancia característica
Z (). En este punto cualquier onda reflejada se duplicará. () Punto de entrada del frente de onda en el empalme, hasta este punto y para todo el AS, la impedancia característica Z () 4,45 Ω. () Punto de salida del frente de onda del empalme, hasta este punto y desde () para todo el empalme, la impedancia característica Z () 4,4 Ω. No hay una indicación del grado de deformación admitido para los empalmes, pero la experiencia en la EG, ha determinado que no debe haber una desadaptación de impedancias mayor al %, caso contrario el empalme es rechazado. Esto se realiza a través de un ensayo reflectométrico. En el ANEXO A, se ven empalmes con deformación que presentan falla por la desadaptación de impedancias entre el AS y el empalme. Si no existiera tal desadaptación, solamente sufriría la sobre tensión el Terminal de uno y otro extremo. Es importante destacar que un Terminal es mucho más fácil de confeccionar que un empalme y aún más difícil, si éste es una transición; y además para localizar la falla la dificultad que presenta un empalme es, en costo de equipamiento y de tiempo de indisponibilidad, ampliamente mayor al del Terminal. (4) Punto de transición entre el AS y la antena del entro de Transformación, que es el punto donde se produce la falla, a metros de la celda de, KV. En este caso Z (4). Observaciones que se desprenden del método de Bewley. uando la sobre tensión ingresa al AS, se desplaza por él, sufriendo reflexiones y refracciones. as refracciones indican que la onda penetra de un medio de una determinada impedancia a otro de impedancia distinta y están indicas en el diagrama con, por ejemplo, b, y una flecha hacia la derecha (ondas progresivas) y hacia la izquierda (ondas progresivas pero de la reflexión del extremo en cortocircuito). as reflexiones indican la onda reflejada en una impedancia distinta con, por ejemplo, r, y una flecha curvada. Hay gran aporte bibliográfico [] [] [] [] que sustenta que la sobre tensión, en estas condiciones no supera,5 veces la entrante, con todas las sumas de las reflexiones y refracciones que se producen, por ejemplo, en los puntos A y B, si colocamos un descargador de sobre tensión en los puntos () y (4) (si solamente lo colocamos en (4), el valor se duplica). Tal es lo que normalmente se hace. on esta situación estamos en condiciones de decir que sobre los puntos () y (), el empalme soporta Ul,97KV.,5, 95KV abe destacar que la sobretensión se acrecienta en el tiempo τ, o sea cuando la onda sale del IAP, llega al cortocircuito y vuelve al IAP, punto de impedancia infinita y de duplicación teórica de la onda. Hablamos de µseg. En las aislaciones no regenerativas, las sobre tensiones son acumulativas. Si el empalme fuera perfecto no existiría como punto de falla, como no lo es, hay que controlar minuciosamente su ejecución y tomar las medidas que a continuación se proponen. uidados a tener en cuenta en la instalación de los descargadores de sobre tensión. Tenemos dos DSE, uno en cada extremo del AS. Al elegir los descargadores a instalar, se deben tener ciertas precauciones, porque si bien la sobre tensión de maniobra calculada, la hicimos en la peor condición, no es difícil su aparición, de hecho innumerables empalmes pinchados carecen de explicación y este trabajo apunta a considerar estos aspectos como causal de esas fallas. a curva tensión corriente de los descargadores, no normadas por IE o IEEE, responden a Figura 9: Frente a un impulso de sobretensión de maniobra, drena a tierra una corriente equivalente a la curva. Para aclarar, se adjunta una Tabla de datos de un descargador de un reconocido fabricante, que tiene la parte de ensayos para impulsos de maniobra (Switch Surge). orresponde a la característica para la región de Figura 9. Reproduciendo la curva para un DSE de kv de Tensión Asignada y, kv de MOV, se tiene: A para, kv, 5 A para 9,6 kv; 5 A para,9 kv y después se pasa a la zona de descargas atmosféricas que parte de,5 ka. os ensayos para la zona de switching se hacen con onda /6 µseg, por lo tanto, en el caso de una sobretensión de,97 kv, se pueden tener corrientes de drenaje del orden de 8 a A.
Reproduciendo la curva para un 5 kv de Tensión Asignada y,7 kv de MOV, se tiene: A para,7 kv, 5 A para 7 kv; 5 A para 9,9 kv y después se pasa a la zona de descargas atmosféricas que parte de,5 ka. En este caso entonces, con una sobretensión de,97 kv, se pueden tener corrientes menores o incluso el descargador NO cebarse, y esto tiene una importancia fundamental si nos paramos en la realidad y consideramos: el cable de puesta a tierra del descargador y el valor de la resistencia de puesta a tierra del mismo. onexión del DSE a tierra, valores de las tensiones por efecto del cable de conexión a tierra y de la resistencia de puesta a tierra. El esquema eléctrico de conexión responde a la Figura. Figura a tensión real en el sistema estará conformada por cuatro tensiones que son:.- a residual efectiva del pararrayos o tensión de descarga, Ur..- a que se produce en el cable de conexión desde la línea de media tensión hasta el pararrayos, U AB..- a que se produce en el cable desde el pararrayos a tierra, U D. 4.- a que se produce en la resistencia de puesta a tierra del pararrayos, U REt. De acá se deduce que las caídas y, son inductivas y dependerá por lo tanto de la longitud del cable, lo que lleva a determinar el primer punto importante y que es que estas conexiones deben ser lo más cortas posibles. Además es preponderante entonces la pendiente de la onda de sobre tensión, ya que: di U dt También importa el valor de la resistencia de puesta a tierra pues mientras mayor sea peor es la situación. Para un DSE ubicado en un entro de Transformación, con resistencias de puesta a tierra medidas (5 mediciones) promediando valores del orden de los 5 Ω a los Ω, (con valores que llegan a los 5 Ω) por la alta resistividad de los terrenos; con longitudes de cable de,7 metros y 8,9 metros para la interconexión del DSE a MT y tierra, con una tensión de,97 KV que hace descargar 8 A, y considerando la característica de la onda de drenaje de corriente de la misma forma que la onda de ataque al DSE, alcanzando el pico en 9,4 µseg, acercándose bastante a la onda de prueba en laboratorio que es /6 µseg, entonces la U T sería, para 5 Ω y Ω: di di U T AB + U r + D + U RE U AB + U r + U D + U RE dt dt µ Hy,8kA U T,97kV +,4 (,7 + 8,9) +,8KA.5Ω,97 +,4 + 4 8, KV m 9,4 seg µ 8,KV.,5 7, KV µ Hy,8kA U T,97kV +,4 (,7 + 8,9) +,8KA.Ω,97 +,4 + 9,6, 6KV m 9,4 seg µ, 6 KV., 5 5, 4 KV De esto podemos destacar: a) a influencia de los cables de conexión del DSE es escasa. b) a influencia de la resistencia de puesta a tierra del DSE es importantísima. c) El valor que alcance la sobre tensión de maniobra es también muy importante pues determinará el drenaje de corriente y la corriente influye mucho en el segundo término de la ecuación. ONUSIONES Y REOMENDAIONES DERIVADAS DE ESTUDIO ) En la ejecución de los empalmes y terminales de AS, debe existir por parte de la empresa un estricto control sobre la mano de obra. ) Ejecutado el empalme debe realizarse Reflectometría a fin de verificar su correcta ejecución. ) os descargadores de sobre tensión, deber ser de una Tensión Asignada de 5 KV, en lugar de KV. 4) as puestas a tierra de los descargadores de sobre tensión, debe tener un valor máximo de Ω, tal cual lo exige la norma. ANEXO A El emplame fallado se demarcó y se seccionó, a fin de visualizar la calidad de ejecución del mismo.
able monoplomo aislación papel impregnado de cuerda sectorial Deformación able de aislación seca de cuerda redonda orte donde se observan las deformaciones y ubicación del punto de falla Punto de falla EMPAME SEO En este empalme se ve una deformación mucho más pronunciada que en el anterior. a falla en este caso fue entre dos fases. Falla Falla entre dos fases ANEXO B Datos de ables Armados Subterráneos (AS) a considerar: able de campo no radial. álculos a Falla con retorno por tierra Falla con Falla con efectuar para el solamente retorno por retorno por cable NO RADIA Z t,7+j4,8 tierra y pantalla pantalla tripolar tipo Z t 4,7 7º Z typ,89+j,8 solamente AWG de 7 Ω/milla 7 Z p 4,8+j, capas..( 5 mm ) Z t,788+j,59 Z typ,44 º Z p 4,9 4º Z,987+j, Z t,77 7º Ω/milla Ω/milla Z º Ω/Km Z typ,79+j, Z p,7+j,9 Ω/milla 6 Z p,7 4º Z,6+j,6 Z typ, º Ω/Km Z,64 º Ω/Km Ω/Km Z /Z 4,7 6º,44 º 4,9 7º Observaciones Figuras de bibliografía [] apítulo 4. d,9 T56 mils t 78 mils D.7 Pantalla 9 mils Figura 9 X /X,59 9,,5 R /X 6,5 4,,57 4,x -4 4,x -4 4,x -4 t 8,4x - Hy typ,69x - Hy p 6,5x -4 Hy,67. k.,6,66x -6 F,66x -6 F G de Fig. 9 G G,6 k de Tabla k,4,89. k.,6,9x -6 F,9x -6 F G de Fig. 9 G G,6 k de Tabla k,4 4,65 Ω 4,65 Ω 4,65 Ω Z Z 68,56 Ω,8 Ω 45,67 Ω
BIBIOGRAFIÁ: [] IE 67-. Insulation co-ordination. Appliction guide. []Propagación y Radiación de ondas electromagnéticas. Salvador Puliafito. [] Electrical Transmisión and Distribution Referente Book. [4]IE 67-. Hight Voltage Switchgearand controlgear. Part. [5] Transient recovery voltages in medium voltage network. Working group of Study committee. [6] Análisis de las tensiones de restablecimiento para ensayos de interruptores de alta tensión. Revista Electrotécnica. J.. Tobías. [7] Symetrical omponents..f. Wagner, R.D. Evans. [8] Alta tension y sistemas de trasmisión. uis Siegert. [9] Electrical transients in power systems. Alland Wreendwood. [] Protección frente a sobre tensiones de origen atmosférico en líneas de distribución subterráneas. A. Elices,. Rouco, A. Vázquez, D. Vindel. [] ables subterráneos con cajas de empalme. Propuesta de normalización de ensayos previa a su puesta en servicio. Juan Roberto áceres. [] Sobretensiones debidas a fallas a tierra. Ing. Raúl Bianchi astra. [] ightning protection of undergound cables. Juan Martinez Velasco, F. Gonzalez Molina.