Qu es la coordinacin de aislamientos?

Consiste en establecer la correlacin necesaria entre los niveles de aislamiento de los aparatos de la subestacin y los niveles de proteccin asegurados por los dispositivos de proteccin, o que las sobretensiones sean aisladas a zonas en que no causen daos, de forma que se evite el efecto de las sobretensiones sobre los equipos previniendo averas.

La coordinacin de aislamientos es, por lo tanto, la determinacin de los aislamientos necesarios para la ptima proteccin del sistema, es decir, que el nmero de perturbaciones e interrupciones de servicio sea mnimo, que provea el mayor grado de seguridad y con la menor inversin.

Sobretensiones

En los sistemas elctricos pueden ocurrir fenmenos que incrementen la tensin por encima del valor mximo de servicio haciendo que se debiliten los aislamientos de los equipos al quedar sometido a esfuerzos elctricos al que no fue diseado, e incrementando as la probabilidad de que ocurran fallas en los mismos y de que disminuya su vida til. A ests elevaciones indeseadas de tensin se les llama sobretensiones.

Las sobretensiones pueden ser de origen externo (debido a descargas atmosfricas que inciden principalmente en las lneas de transmisin) o interno (ya sea por cambios repentinos en la carga o apertura o cierre de interruptores).

Sobretensiones Externas: Son producidas por la descarga del rayo sobre el conductor, arcos entre el conductor y la estructura debido a que la descarga impacta sobre la torre o sobre el hilo de guarda. Las sobretensiones debidas a descargas atmosfricas son determinantes para niveles de tensin inferiores por lo general a 400 kV.

La incidencia de rayos sobre la subestacin es relativamente rara, principalmente por la reducida superficie ocupada, siendo ms comn la descarga sobre las lneas de transmisin cercanas a la subestacin. Las descargas atmosfricas producen una onda de tensin de frente escarpado que se propaga a lo largo de las lneas hasta la instalacin, produciendo daos en el aislamiento de los equipos, resaltando principalmente el dao sobre los transformadores, dado que estos representan los equipos de mayor costo dentro de la instalacin.

Sobretensiones Internas: Son causadas por cambios elctromagnticos bruscos dentro del sistema, tales como fallas monofsicas, apertura y cierre de interruptores o cambios repentinos en la carga, como la desconexin de grandes bloques del sistema. Son predominantes cuando los niveles de tensin superan los 400 kV.

Las sobretensiones internas se presentan de distintas formas, teniendo las sobretensiones dinmicas, debidas a desconexiones o prdidas de cargas repentinas en el sistema, o al incremento de velocidad en generadores, las cuales pueden ser autosostenidas y de larga duracin, y tambin a las sobretensiones de maniobra que pueden ocurrir debido a la energizacin de partes del sistema mediante la accin de interruptores o a la interrupcin de corrientes dbiles inductivas o capacitivas.

Las sobretensiones dinmicas son de importancia para la correcta seleccin de los pararrayos, ya que estos deben ser capaces de realizar una proteccin efectiva de la instalacin ante cualquier nivel de sobretensin que pueda presentarse. Las sobretensiones de maniobra definen la reduccin de los niveles de aislamiento para sistemas cuya tensin nominal pertenece a los niveles ms elevados.

Sobretensiones temporales: pueden originarse debido a fallas, operaciones como rechazo de carga, condiciones de resonancia, ferrorresonancias o combinaciones de estas. En un sistema las amplitudes de las sobretensiones temporales no deben exceder 1.5 p.u. y su duracion debe ser menor de 1 seg.

Figura 1. Onda de prueba para impulsos tipo rayo segn recomendacin IEC. [Elaboracin Propia]

En la figura 1, se muestra la onda de tipo impulso o tipo rayo 1,2/50 s de acuerdo a la IEC, y es la que caracteriza todo lo referente a pruebas de aislamiento de equipos. El Instante Tp es en el que ocurre el pico de la onda, mientras que el instante T1, es cuando el valor de tensin alcanza el 50% del valor pico del impulso. En la figura 2, se establece la onda de prueba normalizada de acuerdo a la IEC para la realizacin de pruebas para la caracterizacin del aislamiento en cuanto a sobretensiones producidas por maniobras.

Figura 2. Onda de prueba 250/2500 S que caracteriza todo lo referente a pruebas para determinar la proteccin ante impulsos de origen interno en equipos segn recomendacin IEC. [Elaboracin Propia]

En la figura que se muestra a continuacin, se observan los valores picos tpicos de las distintas sobretensiones que pueden presentarse en un sistema y su duracin promedio.

Figura 3. Valores tpicos de la tensin pico de las diferentes sobretensiones que pueden presentarse en un sistema. [Subestaciones Elctricas, Enriquez Harper]

Curva voltaje-tiempo.

La curva voltaje-tiempo es un instrumento que permite representar los niveles de aislamiento que tienen los diferentes elementos que intervienen en el sistema de potencia. En la figura 4, la curva B representa el nivel de aislamiento mximo, es decir, las maximas sobretensiones que pueden aplicarsele sin que exista una ruptura de aislamiento. La curva A, muestra la caracterstica voltaje-tiempo del dispositivo que lo protege contra sobretensiones (pararrayos). En este grfico se muestra las posiciones deseadas de las distintas caractersticas del sistema de proteccin. El pararrayos se ajusta de forma en que este acte en presencia de las sobretensiones antes de que ests alcancen los valores maximos que puede soportar el aislamiento de los equipos. Fig. 4. A- Curva del sistema de proteccin contra sobretensiones. B- Nivel de aislamiento de los equipos. [Weedy]

Figura 5. Caractersticas de aislamiento de los distintos elementos dentro de una subestacin ((a)Curva de descarga del pararrayos, (b) explosor, (c) transformador, (d)Cadena de aisladores de la lnea, (e) aislamiento de la barra, (f) Sobretensin tipo rayo o externa). [Weedy]La figura 5, muestra las caractersticas voltaje-tiempo para los distintos elementos que se encuentran en una subestacin. Las curvas (a) y (c), representan la caracteristica voltaje-tiempo del explosor y la caracterstica voltaje-tiempo del aislamiento del transformador. La linea segmentada que va desde el origen y que pasa por el punto de interseccin se le llama critical slope (pendiente crtica). Para impulsos debido a sobretensiones (curva (f)) cuya pendiente sea inferior al critical slope, el explosor ser capaz de drenar la sobretensin evitando as daos al equipo. Cuando la pendiente sea mayor, el explosor no ser capaz de actuar a tiempo para proteger el transformador. Para cualquier sobretensin que se presente, el pararrayos (curva (b)) es capaz de drenar la falla. (d) y (e) representan las caractersticas voltaje-tiempo de la cadena de aisladores de la linea y de el aislamiento de barra respectivamente.

Niveles de aislamiento

El nivel de aislamiento de los materiales queda fijado, para un nivel de tensin dado, mediante los ensayos de la onda de impulso y la onda de frecuencia industrial durante un minuto. El material dielctrico debe estar en la capacidad de soportar la tensin sin que se produzcan descargas, ya sea por contorneo, perforacin, o cualquier deterioro en sus propiedades. La tensin de descarga vara con el tiempo de aplicacin, y la curva voltaje-tiempo representa grficamente la tensin en la que ocurre la descarga para distintos instantes de aplicacin de la prueba. Los valores ms importantes que se tienen en la curva tensin tiempo son:

Tensin de descarga en el frente de onda: es el valor de tensin en el que ocurre la descarga cuando se realiza la prueba aplicando una tensin de impulso normalizada con una pendiente de 1000 1200 kV/s. Tensin en la cresta de la onda: corresponde a la tensin aplicada que produce la descarga en el lomo de la onda. Para una onda 1,2/50 s el pico se presenta a los 1,2 s. Tensin en el lomo de la onda: es la tensin en la cresta de la onda de impulso en la que el material presenta un 50% de probabilidad de descarga.

Figura 6. Curva tensin-tiempo del aislamiento.

Para el ensayo a frecuencia industrial durante un minuto, se realiza una distincin entre aislantes interiores (aquellos que se encuentran protegidos del efecto de las condiciones climticas, p.e. transformadores protegidos por cubas) y aislantes expuestos a la intemperie (cadenas de aisladores, aislamiento de las barras en una subestacin, entre otros). Para aislantes internos, la prueba que se realiza es del tipo seco, mientras que para materiales expuestos, se simulan condiciones de lluvia en los laboratorios de pruebas.

El trmino aislamiento pleno, se refiere al 100 % de la aislacin del equipo, y relaciona la tensin nominal con la clase de aislacin. Se entiende por aislacin reducida, a la clase de aislacin inferior a la tensin nominal correspondiente.

El aislamiento pleno se recomienda en sistemas con el neutro aislado o aterrado a travs de impedancias, en los cuales las sobretensiones que pueden presentarse son de mayor amplitud, pudiendo causar dao o deterioro y disminucin de la vida til en el aislamiento de los equipos. Para sistemas que trabajan a tensiones inferiores a los 100 kV, se recomienda el uso de aislamiento pleno en todos los equipos de la subestacin, reservndose el uso de aislamiento reducido a las tensiones superiores, esto se debe a que para tensiones superiores a los 100 kV, los sistemas se encuentran aterrados solidamente, permitiendo una mejor atenuacin de las sobretensiones que pueden presentarse.

Aislamiento autoregenerativo o restaurable

Pertenecen a este grupo aquellos aislantes que recuperan completamente sus propiedades dielctricas luego de una descarga disruptiva. Pertenecen a este grupo aisladores, siempre que no ocurra perforacin, el aire, ya que puede recuperar sus propiedades transcurrido un tiempo de la descarga y gases como el SF6. Por lo general se suele considerar al aislamiento autoregenerativo como el aislamiento externo de los equipos, es decir, aquel que no se ve expuesto a los efectos de la contaminacin, lluvia, etc.

Aislamientos no autorrestaurables o no regenerativos

Estos se caracterizan porque despus de una falla no recuperan de nuevo totalmente sus propiedades dielctricas. Ejemplos tpicos que afectan al aislamiento interno son fallas en los arrollamientos de los transformadores, reactores, etc, caracterizadas por una perforacin que le impide al aislante slido recuperar sus propiedades. Sin embargo este tipo de falla tambin puede observarse en los aislamientos externos, como por ejemplo, perforacin de la cadena de aisladores porterior a una descarga.

En la coordinacin de aislamiento es necesario diferenciar los aislamientos autorrecuperables de los no recuperables, ya que el primero se presta para obtener informacin estadstica de los procedimientos de pruebas y ensayos contenidos en las normas, mientras que en los aislamientos no recuperables, se tiene muy poca informacin acerca de su comportamiento frente a esfuerzos elctricos, debido al alto costo que representa realizar las sustitucin del aislante para cada prueba o ensayo.

Procedimientos en la coordinacin de aislamientos

La determinacin de las sobretensiones mximas en la coordinacin de aislamientos consiste en determinar el menor rango de valores de sobretensiones maximas. Se utilizan dos mtodos para la coordinacin de aislamientos ante sobretensiones: un mtodo determinstico y un mtodo estadstico. Muchos de los procedimientos aplicados, sin embargo, son una mezcla de ambos mtodos. Algunos factores utilizados en el mtodo estadstico se usan en el determinstico y viceversa.

Mtodo Estadstico:

El mtodo estadistico est basado en la frecuencia con la que ocurren los distintos fenmenos que pueden generar fallas por sobretensiones y la forma en la que el sistema es capaz de despejarlos. El riesgo de falla se puede determinar combinando probabilidades de sobretensiones con probabilidades de descarga de los equipos.

Concepto Esfuerzo-Rigidez:

En la coordinacin del aislamiento, la distribucin del esfuerzo bien podra ser la distribucin de las sobretensiones de maniobra, mientras que la distribucin de la rigidez se correspondera con la rigidez del aislamiento de la lnea o subestacin ante los esfuerzos aplicados. Mientras que la distribucin del esfuerzo se determina con la ayuda de un analizador de redes transitorio o computador digital adecuado, la distribucin de la rigidez se obtiene mediante ensayos en un laboratorio de alta tensin.

Figura 7. Relacin existente entre el esfuerzo, la rigidez y la probabilidad de falla [Siegert]

En el caso de que el esfuerzo sea mayor que la rigidez, el resultado ser una falla en el aislante. De ser la rigidez mayor que el esfuerzo, el aislamiento soportar la tensin aplicada sin que ocurra una descarga disruptiva. La probabilidad de falla, generalmente representada con la letra Z, es la diferencia entre la probabilidad de que ocurra un esfuerzo y la rigidez dielctrica del aislamiento. Para determinar las ecuaciones correspondientes, determinaremos el caso para el que dado un esfuerzo sobre el aislante, se obtiene la probabilidad de falla de este, y adems, para un valor de rigidez del aislamiento, la probabilidad de que ocurran fallas conocida la distribucin de esfuerzo.

Analizando la figura siguiente:

Figura 8. Relacin Esfuerzo-rigidez para R