DISTANCIAS DE SEGURIDAD EN SUBESTACIONES DE 23, 85, 230 Y 400 kV, DE LA EMPRESA LUZ Y FUERZA DEL CENTRO, MÉXICO

M. en I. ARTURO LÓPEZ MALO LORENZANA

Especialidad en Sistemas de Potencia y Sistemas de Ahorro, Conservación y Uso Eficiente de la Energía

Jefe de Grupo y de la Sección de Ahorro de Energía

LUZ Y FUERZA DEL CENTRO, MÉXICO

Tema: Seguridad eléctrica en instalaciones de transmisión y distribución para trabajos con tensión

México D.F. a 30 septiembre de 2004

Datos de la Empresa: • Nombre: Luz y Fuerza del Centro • Dirección: Melchor Ocampo No.171- of. 420, C.P. 11379, México D.F. • Tel.: 51400404, 51400408 • Fax: 51400392 • E-mail: larturo@itesm.mx o alopezmalo@yahoo.com.mx

Resumen: Luz y Fuerza del Centro (LFC), empresa que tiene 100 años de fundada, suministra la energía eléctrica en el centro de la República Mexicana, para lo cual diseña, construye opera y mantiene subestaciones en tensiones de 400 y 230 kV para transmisión y en tensiones de 230, 85 y 23 kV para distribución de la energía eléctrica, con un total de 189 subestaciones convencionales y 32 subestaciones encapsuladas y aisladas en hexafloruro de azufre. Con objeto de contar con las distancias de seguridad en las subestaciones, para el personal de operación y mantenimiento, en el presente trabajo se describe el procedimiento de cálculo que permite determinar las distancias de seguridad en instalaciones abiertas para tensiones de operación de 400, 230, 85 y 23 kV, considerando primordialmente: la altura mínima de las partes vivas, la distancia horizontal mínima entre partes vivas y barandales o cercas, la distancia mínima entre las partes vivas y el cuerpo humano, y la distancia mínima entre partes vivas y los mecanismos de operación ó cualquier parte conductora en movimiento. El método utilizado para calcular las distancias de seguridad, se fundamenta en los siguientes aspectos: considerar la talla media del personal, la naturaleza y características de los trabajos que se realizan en la subestación, y en la distancia base determinada por el nivel de aislamiento para cada tensión de aguante

al impulso. En principio, este nivel de aislamiento, se considera un parámetro proporcionado como dato, el cual se calcula por medio de un estudio de coordinación de aislamiento, para las tensiones de operación señaladas y considerando una altitud de 2300 m (Ciudad de México). Se muestran con diversas figuras, las zonas y distancias de seguridad calculadas, concluyendo con una tabla que especifica en forma reseñada, para las cuatro tensiones de operación (400, 230, 85 y 23 kV), las distancias de seguridad analizadas, considerando los parámetros requeridos para calcular dichas distancias en cada una de las tensiones. Con base en los resultados obtenidos, LFC utiliza en todas las subestaciones abiertas (convencionales), en forma normalizada para la construcción de las mismas, las distancias calculadas, las cuales han sido aplicadas satisfactoriamente, a través de los años de existencia de esta empresa. 1.- Consideraciones de seguridad Desde el punto de vista de la seguridad del personal de operación y mantenimiento de una subestación, pueden hacerse las consideraciones que a continuación se describen. Las partes con potencial (partes vivas) deben quedar fuera del alcance del personal, para lo cual puede recurrirse a los siguientes procedimientos:

a) Puede utilizarse equipo auto-protegido particularmente en zonas donde el espacio es limitado, en el que las partes vivas quedan encerradas en cubiertas, concebidas de manera que, en servicio normal, impidan cualquier acceso al personal a dichas partes vivas.

b) Las partes con potencial pueden

hacerse inaccesibles mediante barreras o cercas que impidan al personal acercarse a distancias peligrosas de las partes vivas.

c) Las partes con potencial pueden

ponerse fuera del alcance del personal colocándolas a distancias de las zonas de circulación ó de trabajo suficientemente grandes para hacer imposible un contacto accidental con las mismas.

El análisis que se describe en el presente trabajo, se refiere exclusivamente a las distancias de seguridad en instalaciones abiertas y no considera equipos autoprotegidos como pueden ser las subestaciones encapsuladas y aisladas en hexafloruro de azufre. Las distancias por considerar, en las subestaciones convencionales o abiertas, son las siguientes:

• Altura mínima de las partes vivas sobre las superficies accesibles.

• La distancia horizontal mínima

entre una parte viva y barandales, cercas ó instalaciones similares.

• La distancia mínima entre las

partes vivas y el cuerpo humano (o alguna herramienta conductora) durante circulación de personal en la subestación.

• La distancia mínima entre partes

vivas y los mecanismos de operación ó cualquier parte conductora en movimiento.

2.- Bases para definir las distancias de

seguridad Para definir las distancias de seguridad a través del aire, se considera básicamente la suma de dos términos, los cuales se reseñan a continuación.

El primer término es una “distancia base” que es función de la tensión de aguante al impulso1; esta distancia debe ser suficiente para impedir todo riesgo de flameo y es igual a la distancia mínima de fase a tierra correspondiente a cada nivel de aislamiento, determinado por un estudio de coordinación de aislamiento, el cual no es objeto del presente trabajo, pero cuyo procedimiento, en forma sucinta, está basado en los siguientes cinco aspectos principales [5]:

1. Obtener las sobretensiones representativas.

Estas sobretensiones. son aquellas que se considera producen los mismos efectos dieléctricos sobre el aislamiento que las sobretensiones de una clase dada, en condiciones de operación, debidas a diferentes orígenes. Estas pueden ser las de baja frecuencia permanentes y temporales, y las transitorias de frente lento, rápido y muy rápido.

2. Determinar las tensiones de aguante para coordinación.

La tensión de aguante para coordinación es el valor de la tensión de la configuración del aislamiento, en condiciones reales de servicio, que satisface el criterio de comportamiento para cada clase de tensión [1].

3. Calcular las tensiones de aguante requeridas.

Es la tensión de prueba que el aislamiento debe soportar en una prueba de aguante normalizada, para asegurar que el aislamiento satisface el criterio de comportamiento cuando esté sujeto a una clase de sobretensión dada en condiciones reales de servicio y durante todo el tiempo de servicio [1].

4. Establecer las tensiones de aguante requeridas corregidas.

Cuando la tensión de aguante de prueba que va a ser aplicada al equipo, tiene una forma de onda diferente a la de la tensión de aguante requerida, se le aplica a la tensión de aguante requerida anterior, un factor de conversión de prueba y de esta manera se calcula el valor de la tensión de aguante requerida corregida, con la que se

1 El término Tensión de Aguante al Impulso sustituyó al utilizado anteriormente como Nivel Básico de Aislamiento al Impuso (NBAI), de acuerdo con la última edición de la norma para coordinación de aislamiento [1].

obtiene el límite inferior de la tensión de prueba normalizada.

5. Seleccionar la tensión de aguante normalizada.

Las tensiones de aguante de prueba temporales, de frente lento y de frente rápido, ya sea para aislamientos de fase a tierra o entre fases, se pueden seleccionar con la misma forma de onda de la tensión de aguante requerida o con diferente forma de onda considerando las propiedades intrínsecas del aislamiento [1]. Luz y Fuerza ha establecido, basándose en la experiencia de operación adquirida a través de los años, las distancias mínimas en aire para el diseño de sus subestaciones de acuerdo a la tensión de aguante al impulso. La Tabla 1 establece la relación entre las distancias mínimas en aire utilizadas por LFC, con las tensiones de aguante al impulso normalizadas y la asociación de estas con la tensión máxima de diseño y las tensiones nominales del sistema. En instalaciones para tensiones de 230 kV o superiores es necesario tener en cuenta que la distancia entre fases es uno de los parámetros que controlan el gradiente de potencial de la superficie de los conductores, y que este gradiente debe limitarse a valores inferiores al gradiente crítico para el cual se inicia el efecto corona [5]. Asimismo, es conveniente considerar que en instalaciones para tensiones muy altas, en las que las sobretensiones transitorias producidas por la interrupción o la conexión de circuitos, pueden igualar o exceder la magnitud de los impulsos debidos a rayos y en consecuencia condicionar el nivel de aislamiento, por lo tanto, las distancias mínimas a tierra y entre fases, deberán fijarse tomando en cuenta este tipo de sobretensiones. Para el diseño de subestaciones [5], en LFC se ha establecido el criterio de aplicar un factor de seguridad a las distancias en aire indicadas en la Tabla 1, para obtener las distancias mínimas de fase a tierra y entre fases descritas en la Tabla 2. Considerando los valores obtenidos en el estudio de coordinación de aislamiento, para una altitud de 2300 m, en la Tabla 2 se indican las distancias mínimas de fase a tierra, las distancias mínimas entre fases y

las distancias entre centros de conductores rígidos y no rígidos, calculadas de acuerdo con los criterios antes expuestos, las cuales se consideran como norma para el diseño de las subestaciones en las tensiones utilizadas en Luz y Fuerza del Centro, México. El segundo término, que debe sumarse a la distancia base descrita anteriormente, depende de la talla media de los operadores y de la naturaleza y características de los trabajos que se realicen en las instalaciones, incluyendo la circulación del personal y el acceso a los lugares posibles de trabajo. En la Fig. 1 se indican las dimensiones medias del operador. Considerando las premisas descritas, a continuación se analizan las siguientes situaciones dentro de una subestación: - Circulación del personal en la

subestación. - Circulación de vehículos en la

subestación. - Intervención del personal en algún

punto de la instalación. 3.- Circulación del personal en la

subestación. Cuando no existen barreras ó cercas de protección, la altura mínima de las partes vivas sobre el piso debe ser suficiente para permitir sin riesgo la circulación del personal dentro del área de la subestación. Esta altura mínima debe ser igual a la distancia base descrita anteriormente, que es función del nivel de aislamiento al impulso, aumentada en 2.25 m, que es la altura que puede alcanzar un operador de talla media con un brazo extendido. La altura mínima de las partes vivas sobre el piso, en zonas no protegidas por las barreras o cercas de protección, no debe ser nunca inferior a 3.0 metros. La altura mínima sobre el piso de la parte inferior de la porcelana de un aislador tipo columna, en zonas no protegidas por barreras o cercas, no debe ser inferior a 2.25 m, ya que el aislador debe considerarse como una pieza bajo tensión, cuyo valor decrece a lo largo del aislador y

sólo la base metálica inferior está al potencial de tierra. En zonas de la subestación donde las partes con potencial tengan alturas inferiores a las especificadas en los párrafos anteriores, deben instalarse barandales ó cercas de las siguientes características:

• Como se muestra en la Fig. 2, cuando se usen barandales, éstos deben ser mínimo de 1.20 m de altura y deben quedar a una distancia de las partes con potencial igual a la distancia base, aumentada en 0.90 m como mínimo.

• Cuando se usen cercas, éstas

deben tener, como se muestra en la Fig. 2, una altura mínima de 2.25 m y deben estar alejadas de las partes con potencial una distancia igual a la distancia base.

4.- Circulación de vehículos en la

subestación. En las zonas de la subestación destinadas a la circulación de vehículos utilizados para labores de mantenimiento, el espacio mínimo para la circulación debe determinarse tomando en cuenta las dimensiones del vehículo como se muestra en la Fig. 3 y de acuerdo a lo siguiente:

• La altura mínima de las partes con potencial en las zonas para la circulación de vehículos, se determina sumando la distancia base a la altura del vehículo.

• El ancho mínimo entre las partes

con potencial en las zonas para la circulación de vehículos, se obtiene sumando dos veces la distancia base al ancho del vehículo mas 0.70 m para tomar en cuenta la imprecisión probable en la conducción del vehículo.

5.- Distancias de seguridad en zonas de

trabajo. En cualquier sección de las instalaciones de alta tensión de una subestación, se deben poder realizar con toda seguridad trabajos de mantenimiento, una vez que la sección ha sido desconectada mediante la

apertura de los interruptores y cuchillas correspondientes, sin tener que desconectar las secciones contiguas que deben seguir funcionando para no afectar la operación del sistema. Las distancias de seguridad en zonas de trabajo, según se indica en la Fig. 4, se determinan de acuerdo a lo siguiente: - La distancia mínima horizontal debe

ser igual a la distancia base más una longitud adicional de 1.75 m.

- La distancia mínima vertical debe ser

igual a la distancia base más una longitud adicional de 1.25 m.

La distancia total no debe ser en ningún caso inferior a 3 m. De acuerdo con lo descrito, en la Tabla 3 se indican las distancias de seguridad para los distintos casos que pueden presentarse en instalaciones con tensiones nominales de 23, 85, 230 y 400 kV. La filosofía para determinar las distancias de seguridad descritas anteriormente, se fundamenta en las recomendaciones de la referencia [4], pero en la Norma Oficial Mexicana de Instalaciones Eléctricas [7], la cual esta basada en el National Electrical Code de U.S.A., se indican aspectos genéricos de seguridad para instalaciones en alta y baja tensión. En la Sección 110-34 de dicha norma, se describen los espacios de trabajo mínimos para diversas tensiones de acuerdo con la Tabla 4 (Tabla 110-34 (a) en la referencia original), considerando que las distancias se deben medir desde las partes vivas expuestas. Por otra parte, la altura de las partes vivas sin proteger sobre el espacio de trabajo, no debe ser menor que la indicada en la Tabla 5 (Tabla 110-34 (e) en la referencia original). Asimismo, la separación mínima entre conductores desnudos vivos y entre estos conductores y las superficies adyacentes puestas a tierra, de acuerdo con la Tabla 6 (Tabla 710-33 de la NOM referida), no debe ser menor a los valores mínimos aplicables en condiciones atmosféricas normales, hasta 1000 m de altitud, 20° C de temperatura, presión 101.3 kPa, humedad absoluta ho = 11 g/m3, y no deben utilizarse en el diseño ó fabricación de las terminales interiores ó exteriores de

equipos eléctricos, probados de acuerdo con las normas NOM ó NMX aplicables y vigentes en México. 6.- Conclusiones En el presente trabajo se analizan los aspectos básicos que permiten determinar las distancias de seguridad en subestaciones eléctricas de 23, 85, 230 y 400kV, considerando las distancias mínimas de las partes vivas sobre superficies accesibles, barandales, cercas, mecanismos de operación y el cuerpo humano. Las distancias se estudian para garantizar la seguridad en las subestaciones cuando existe circulación de personal y de vehículos o intervención del personal en algún punto de la instalación. Para definir las distancias de seguridad a través del aire, se considera básicamente la suma de dos términos, de los cuales el primero es función de la tensión de aguante al impulso determinado por un estudio de coordinación de aislamiento y definido como “distancia base”; el segundo termino que se suma al anterior, se determina en función de los trabajos que se realicen en las instalaciones, incluyendo la circulación del personal y el acceso a los lugares posibles de trabajo. Se concluye con una tabla, en la cual, en forma sucinta, se muestran las distancias de seguridad calculadas, de acuerdo al procedimiento descrito y que Luz y Fuerza del Centro, México ha utilizado en forma normalizada a través de los años de existencia de esta empresa, garantizando que su aplicación permite mantener la seguridad del personal y de la propia subestación. Bibliografía [1] NMX-J-150/1-1998–ANCE,

"Coordinación de Aislamiento, Parte 1: Definiciones, principios y reglas".

[2] IEC 71-1: 1993,"Insulation co-

ordination, Part 1: Definitions, principles and rules".

[3] IEC 71-2: 1996, "Insulation co-

ordinación, Part 2: Application guide".

[4] Parizy, Allodi, Blokker, “The Effect

of Safety Regulation on the Design of Substations”, Committee No. 23

(Substations), meeting at Stresa Italy. September 1971.

[5] A. Domínguez, A. López Malo,

Manual de Diseño de Subestaciones, Cap. 3 Disposiciones Constructivas, Luz y Fuerza del Centro, 2003

[6] A.R. Hileman, Insulation

Coordination for Power Systems, N.Y.: Marcel Dekker USA, serie Power Engineering, 1999.

[7] NOM-001-SEDE-1999,

"Instalaciones Eléctricas, utilización".

Autor Arturo López Malo Lorenzana, Ingeniero Electricista, egresado en el año de 1973 de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del I.P.N. Realizó estudios de Maestría en “Sistemas de Ahorro, Conservación y Uso Eficiente de la Energía” en la Universidad Anáhuac del Edo. de México. Laboró en la Secretaría de Industria y Comercio como supervisor de proyectos y obras en baja, media y alta tensión, así como en diversas empresas consultoras en proyectos e instalaciones eléctricas. Labora hoy día en Luz y Fuerza del Centro desde 1977 y ha colaborado en la Gerencia de Ingeniería desarrollando la ingeniería para el diseño de las subestaciones de 23, 85, 230 y 400 KV en las áreas de Proyectos, Protecciones, Estudios, Materiales, Ingeniería Preliminar, Normalización y actualmente participa en la Subgerencia de Desarrollo Tecnológico, en la sección de Ahorro de Energía. Ha participado como conferencista en diversos foros nacionales e internacionales y es coautor del “Manual de Diseño de Subestaciones de LFC”; actualmente imparte las cátedras de Instalaciones Eléctricas, Sistemas Eléctricos Industriales y Sistemas de Potencia en el Tecnológico de Monterrey, Campus Edo. de México. alopezmalo@yahoo.com.mx larturo@itesm.mx, México D.F. Tel. 51400404, Fax 51400392

Las condiciones indicadas en la Tabla 4, son las siguientes: (1) Partes vivas expuestas en un lado y no activas ó conectadas a tierra en el otro lado del espacio de

trabajo, ó partes vivas expuestas a ambos lados protegidas eficazmente por madera u otros materiales aislantes adecuados. No se consideran partes vivas los cables o barras aisladas que funcionen a no más de 300 V.

(2) Partes vivas expuestas a un lado y conectadas a tierra al otro lado. Las paredes de concreto, tabique ó azulejo se consideran superficies conectadas a tierra.

(3) Partes vivas expuestas en ambos lados del espacio de trabajo (no protegidas como lo señala la condición 1), con el operador entre ambas.

Excepción: No se requiere espacio de trabajo en la parte posterior de conjuntos tales como tableros de distribución de frente muerto ó centros de control de motores en los que no haya partes intercambiables o ajustables tales como fusibles ó conmutadores en su parte posterior, y donde todas las conexiones estén accesibles desde lugares que no sean la parte superior. Cuando se requiere acceso posterior para trabajar en partes no energizadas de la parte trasera del equipo encerrado, debe existir un espacio horizontal mínimo de trabajo de 0.8 m.