nivel de aislamiento s.e.de distribuciÓ

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SELECCIÓN TÉCNICAMENTE OPTIMA DEL NIVEL DE AISLAMIENTO DE LOS EQUIPO DE LAS S.E.´S DE DISTRIBUCIÓN DE 13,8, 23 Y 34,5 kV, PARA ALTITUDES HASTA 2500 msnm.  Fernando Giovanni Velázquez Cortés Jorge Guzmán López José Luis Acosta Espinoza CFE-LAPEM 1. RESUMEN.  En este trabajo, se presentan los resultados del estudio de coordinación de aislamiento para subestaciones en aire, para 13,8; 23 y 34,5 kV, determinando las características óptimas del apartarrayos; considerando aspectos propios de las redes de distribución de la CFE; como son los parámetros e índices de comportamiento esperados; para llevar a cabo la selección óptima del nivel de aislamiento del equipo para S.E. que operen hasta una altitud de 2500 msnm. Se utiliza la metodología IEC [5 y 6], tanto para la selección de los apartarrayos de óxidos metálicos, como para el estudio de coordinación de aislamiento. 2. INTRODUCCIÓN. En el proceso de diseño de subestaciones, uno de los aspectos importantes es determinar el nivel de aislamiento óptimo que deberán tener los equipos a instalar así como las distancias de aislamiento mínimas requeridas de acuerdo con dicho nivel de aislamiento. Sin embargo, en el caso de México existe un factor de vital importancia en esa selección y es la altitud. Actualmente y dado que no existen los estudios a detalle correspondientes, la selección para estas condiciones implica la instalación de equipo de un nivel de tensión superior, es decir, para S.E. de 34,5 kV se selecciona equipo de 200 kV y en ocasiones hasta de 250 kV de NBAI. Con objeto de demostrar que es posible seleccionar equipo con nivel de aislamiento sin pasar a un nivel superior, aun cuando, que operará a gran altitud, es decir, hasta 2500 msnm, se realizaron los estudios adecuados los cuales incluyen la selección en detalle de los apartarrayos de Óxidos Metálicos, los cuales son protección esencial en el comportamiento del equipo que protegen y por lo tanto en el nivel de aislamiento que requiere para el equipo. Finalmente, en el estudio se toman las consideraciones y parámetros del sistema lo más apegado a la realidad como las sobretensiones, índices de comportamiento etc. 3. SELECCIÓN DEL APARTARRAYOS La selección del apartarrayos se realizó en base a lo indicado en [3], considerando los parámetros particulares del sistema eléctrico del país. 3.1 Sobretensiones temporales consideradas  La selección del apartarrayos parte del estudio de las sobretensiones temporales (fallas de tierra, rechazo de carga, resonancia y ferroresonancia) del sistema en el punto donde se encuentra instalado, teniendo en cuenta su amplitud y duración según sea el caso. Considerando la sobretensión temporal por falla a tierra como la condición más crítica y frecuente, además de que los casos analizados de S.E´s. en CFE, son sistemas sólidamente aterrizados, se obtiene un factor de falla a tierra (Fft), de Sobretensión temporal a considerar (kVrms) Tensión del Sistema (kV) Tensión Máxima del Sistema (kV) Factor de Falla a Tierra Fft Fase-Tierra 13,8 15,5 1,15 10,806 23 27 1,20 19,641 34,5 38 1,25 28,795 Por lo tanto, la tensión nominal calculada para el apartarrayos en sistemas de 13,8, 23 y 34,5 es 10,806, 19,641 y 28,795 kV, respectivamente. Una vez hecho lo anterior se selecciona la tensión nominal comercial del apartarrayos, de acuerdo a datos de fabricantes, tomando valores cercanos a la tensión nominal calculada en cada sistema, para tener una flexibilidad en la toma de decisiones al final del estudio; encontrando que Tensión (kVrcm) Tensión Nominal del Apartarrayos Ur (kVrcm) Tensión de Operación Continua Uc (kVrcm) 13,8 12 10,2 23 21 17 34,5 30 24,4 3.2 Cálculo de la energía de los apartarrayos Como regla general para la selección de la corriente nominal de descarga se considera: a) La importancia y el grado de prot ección deseado. b) El número de líneas conectadas al momento de la operación del apartarrayos c) El aislamiento de la línea d) La probabilidad de ocurrencia de altas corrientes de descarga. e) El índice de falla de la línea por descarga atmosférica. De estudios anteriores [8], la descarga atmosférica es un evento de características probabilística por lo que no se puede decir en forma determinante que su magnitud sea única, sino más bien obedece a una distribución de probabilidad del tipo normal. Se sabe que las descargas SUB 14 P217 RVP-AI/2005  SUB-14 PONENCIA RECOMEND ADA POR EL  COMITÉ DE SUBEST CIONES D E L  C PÍTULO D E POTEN CI D E L  IEEE SECCIÓN MÉXICO Y  PRESENTADA EN LA REUNIÓN DE VER NO  , RVP-AI’2005,  A C A PU L C O , G R O ., DEL 10AL 16 DE JU LIODE 2 0 0 5 .  

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SELECCIÓN TÉCNICAMENTE OPTIMA DEL NIVEL DE AISLAMIENTO DE LOS EQUIPO DELAS S.E.´S DE DISTRIBUCIÓN DE 13,8, 23 Y 34,5 kV, PARA ALTITUDES HASTA 2500 msnm.

Fernando Giovanni Velázquez Cortés Jorge Guzmán López José Luis Acosta EspinozaCFE-LAPEM

1. RESUMEN.

En este trabajo, se presentan los resultados del estudiode coordinación de aislamiento para subestaciones enaire, para 13,8; 23 y 34,5 kV, determinando lascaracterísticas óptimas del apartarrayos; considerandoaspectos propios de las redes de distribución de la CFE;como son los parámetros e índices de comportamientoesperados; para llevar a cabo la selección óptima delnivel de aislamiento del equipo para S.E. que operenhasta una altitud de 2500 msnm.

Se utiliza la metodología IEC [5 y 6], tanto para laselección de los apartarrayos de óxidos metálicos, comopara el estudio de coordinación de aislamiento.

2. INTRODUCCIÓN.

En el proceso de diseño de subestaciones, uno de losaspectos importantes es determinar el nivel deaislamiento óptimo que deberán tener los equipos ainstalar así como las distancias de aislamiento mínimasrequeridas de acuerdo con dicho nivel de aislamiento. Sinembargo, en el caso de México existe un factor de vitalimportancia en esa selección y es la altitud. Actualmentey dado que no existen los estudios a detalle

correspondientes, la selección para estas condicionesimplica la instalación de equipo de un nivel de tensiónsuperior, es decir, para S.E. de 34,5 kV se seleccionaequipo de 200 kV y en ocasiones hasta de 250 kV deNBAI.Con objeto de demostrar que es posible seleccionar equipo con nivel de aislamiento sin pasar a un nivelsuperior, aun cuando, que operará a gran altitud, esdecir, hasta 2500 msnm, se realizaron los estudiosadecuados los cuales incluyen la selección en detalle delos apartarrayos de Óxidos Metálicos, los cuales sonprotección esencial en el comportamiento del equipo queprotegen y por lo tanto en el nivel de aislamiento querequiere para el equipo. Finalmente, en el estudio setoman las consideraciones y parámetros del sistema lo

más apegado a la realidad como las sobretensiones,índices de comportamiento etc.

3. SELECCIÓN DEL APARTARRAYOS

La selección del apartarrayos se realizó en base a loindicado en [3], considerando los parámetros particularesdel sistema eléctrico del país.

3.1 Sobretensiones temporales consideradas

La selección del apartarrayos parte del estudio de lassobretensiones temporales (fallas de tierra, rechazo decarga, resonancia y ferroresonancia) del sistema en elpunto donde se encuentra instalado, teniendo en cuentasu amplitud y duración según sea el caso.Considerando la sobretensión temporal por falla a tierracomo la condición más crítica y frecuente, además deque los casos analizados de S.E´s. en CFE, son sistemassólidamente aterrizados, se obtiene un factor de falla a

tierra (Fft), de

Sobretensióntemporal aconsiderar

(kVrms)

Tensióndel

Sistema(kV)

TensiónMáxima del

Sistema(kV)

Factor deFalla aTierra

FftFase-Tierra

13,8 15,5 1,15 10,80623 27 1,20 19,641

34,5 38 1,25 28,795

Por lo tanto, la tensión nominal calculada para elapartarrayos en sistemas de 13,8, 23 y 34,5 es 10,806,19,641 y 28,795 kV, respectivamente.

Una vez hecho lo anterior se selecciona la tensiónnominal comercial del apartarrayos, de acuerdo a datosde fabricantes, tomando valores cercanos a la tensiónnominal calculada en cada sistema, para tener unaflexibilidad en la toma de decisiones al final del estudio;encontrando que

Tensión(kVrcm)

Tensión Nominal delApartarrayos

Ur (kVrcm)

Tensión de OperaciónContinua Uc (kVrcm)

13,8 12 10,223 21 17

34,5 30 24,4

3.2 Cálculo de la energía de los apartarrayos

Como regla general para la selección de la corrientenominal de descarga se considera:

a) La importancia y el grado de protección deseado.b) El número de líneas conectadas al momento de la

operación del apartarrayosc) El aislamiento de la línead) La probabilidad de ocurrencia de altas corrientes de

descarga.e) El índice de falla de la línea por descarga

atmosférica.

De estudios anteriores [8], la descarga atmosférica es unevento de características probabilística por lo que no sepuede decir en forma determinante que su magnitud seaúnica, sino más bien obedece a una distribución deprobabilidad del tipo normal. Se sabe que las descargas

SUB 14

P217

RVP-AI/2005 – SUB-14 PONENCIA RECOMENDADA

POR EL COMITÉ DE SUBESTACIONES

DEL CAPÍTULO DE POTENCIA DEL IEEE SECCIÓN MÉXICO Y PRESENTADA EN LA REUNIÓN DE VERANO , RVP-AI’2005,

ACAPULCO, GRO., DEL 10 AL 16 DE JULIO DE 2005.

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v

LT =1

atmosféricas son de varios tipos, ascendentes odescendentes, positivas o negativas, pero las quemayormente abundan e inciden en las líneas dedistribución son las del tipo descendente negativo. Con elfin de conocer la magnitud de la corriente de descarga,

se observó que el 90 % de dichas descargas tienen unamagnitud entre 8 y 9,5 kA [8].

Los estudios han indicado que considerar un grado deprotección satisfactorio para los sistemas es:

Rango I (>1 kV a 245 kV): 5 kA o 10 kARango II (> 245 kV): 10 kA o 20 kA

Por lo tanto, tenemosNivel de

Protección(kVpico)

Tensión(kVrcm)

TensiónNominal delApartarrayos

Ur (kVrcm)

Tensiónde

OperaciónContinuaUc (kVrcm)

CorrienteNominal

deDescarga

In (kA)Descarga

Atmosférica13,8 12 10,2 10 3623 21 17 10 62

34,5 30 24,4 10 85

Conociendo los niveles de protección del apartarrayos, laenergía que puede absorber este; puede ser estimada,de acuerdo al procedimiento especificado en la IEC [3],usando las siguientes consideraciones:Para nuestro estudio determinamos la energía para elcierre y recierre de líneas largas, por descargasatmosféricas y por desconexión de bancos decapacitores (2,4 MVAR).

3.2.1 Calculo de la energía absorbida por el apartarrayosdebido al cierre y recierre de líneas largas:

- Sobretensiones de frente lento: Se determinan en baseal valor de truncación 2%, utilizando los métodos fase-

pico y caso-pico. Para obtener el valor 2% de lasobretensión, se utiliza la figura 2 [1], considerando unalínea de distribución sin compensación, sin resistenciasde preinserción en los interruptores, reenergizacióntrifásica y una red compleja, para el sistema de 13,8, 23 y34,5 kV.

Tensión máxima del sistema(kVrcm)

Sobretensión por maniobramáxima fase-tierra (kVpico)

15,5 51,88827 90,38638 127,210

- Nivel de protección del apartarrayos al impulso demaniobra: Se necesita calcular la corriente de descargar del apartarrayos, para ello se hace la siguiente

aproximación:

Z

U

Id m

3

2⋅

=

Donde:

I d es la corriente de descarga al impulso de maniobraU m es la tensión máxima del sistemaZ es la impedancia característica de la línea.

Utilizando el EMTP para una Línea de Distribuciónde 13,8 kV, con 1 conductor por fase, 1 circuito, 477kCM (FLICKER), disposición horizontal Z=258,173Ω, este valor también puede aplicar para una líneade 23 y 34,5 kV.

Nivel deProtección(kVpico)

Tensión(kVrcm)

TensiónMáxima

delSistemal(kVrcm)

TensiónNominal delAparatrrayos

Ur (kVrcm)

Corriente deDescarga alimpuso demaniobra

(kA) Maniobra

13,8 15,5 12 0,5 3023 27 21 0,5 51

34,5 38 30 0,5 72

- Tiempo de viaje a lo largo de la línea: Una vez que seconoce la longitud de la línea: L=150 km, para 13,8, 23 y34,5 kV y la velocidad de la onda: v=0,3 km/µs, sedetermina resolviendo la siguiente, ecuación:

Tensión máxima del sistema, (kVrcm) T1, µs15,52738

500

Por lo tanto, la energía del apartarrayos es:

Tensiónmáxima del

sistema(kVrcm)

Tensión nominaldel apartarrayos

Ur (kVrcm)

Energía delapartarrayos por

maniobrakJ

Energíaespecífica delapartarrayos

KJ/kV15,5 12 2,565 0,205

27 21 7,780 0,37038 30 15,397 0,513

3.2.2 Calculo de la energía absorbida por el apartarrayosdebido a descargas atmosféricas:

- Tensión crítica de flameo U50 negativaEn nuestro estudio se considera como aislamientoprincipal de la línea de distribución una cadena deaisladores de suspensión (10” x 5 ¾”) de 2 unidades parael sistema de 13,4 kV y 23 kV, y 3 unidades para elsistema de 34,5 kV; la U50 negativa de la cadena deaisladores se estimó de datos experimentales realizadosen el LAPEM a condiciones atmosféricas normalizadas.

Tensión máximadel sistema(kVrcm)

Tensión crítica deflameo (U50)positiva (kVpico)

Tensión crítica deflameo (U50)negativa

(kVpico)15,5 230 23027 230 23038 320 310

- Número de líneas conectadas, a la S.E.: Para todos losniveles de tensión, se considera el caso más crítico en lasubestación, esto es una sola línea conectada, paraevitar las atenuaciones presentes, cuando existen máslíneas.Como los demás parámetros ya se conocen del calculoanterior, entonces tenemos que la energía delapartarrayos es:

Tensión

máxima delsistema(kVrcm)

Tensión nominaldel apartarrayos

Ur (kVrcm)

Energía del

apartarrayos por RayokJ

Energía

específica delapartarrayosKJ/kV

15,5 12 14,718 1,22627 21 19,722 0,93938 30 36,160 1,205

3.2.3 Cálculo de la energía absorbida por el apartarrayosdebido a desconexión de bancos de capacitores (2,4MVAR):

- Cálculo de la capacitanciaEn nuestro estudio se considera un banco de capacitoresde 2,4 MVAR que equivale al 6 % del Banco detransformación (40 MVA), obteniendo los siguientesvalores de capacitancia:

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Tensión del sistema, (kVrcm) Capacitancia, (µf)15,5 33,42827 12.034

38 5.348

Como los demás parámetros ya se conocen, entonces

tenemos que la energía del apartarrayos es:Tensiónmáxima del

sistema(kVrcm)

Tensión nominaldel apartarrayos

Ur (kVrcm)

Energía delapartarrayos por Maniobras conCapacitores, kJ

Energíaespecífica delapartarrayos

KJ/kV15,5 12 14,284 1,19027 21 13,791 0,65738 30 14,284 0,476

3.4 Selección de la clase del apartarrayos

Para seleccionar la clase del apartarrayos, necesitamosconocer la relación entre la tensión residual al impulso demaniobra y la tensión nominal del apartarrayos, y laenergía específica del mismo. Entonces nos referimos ala figura E.1 [4], obteniendo:

Nivel deProtecciónUresm (kVpico)

TensiónMáxima

delSistema(kVrcm)

TensiónNominal delAparatrrayos

Ur (kVrcm) Maniobra

Uresm / Ur p.u.

Clase deDescarga de la

Línea

15,5 12 30 2,50 327 21 51 2,429 338 30 72 2,400 3

4. SELECCIÓN DEL NIVEL DE AISLAMIENTO DELEQUIPO.

4.1 Parámetros considerados en el estudio.

4.1.1 Tensiones de representativas del sistema, U rp

En este paso se definen los esfuerzos que están

presentes en el punto a analizar, dichos esfuerzos sondel tipo temporal, de frente lento y de frente rápido.

• Sobretensiones representativas de corta duración(sobretensiones temporales a la frecuencia delsistema).

Se determinaron al inicio del proceso de la selección delapartarrayos.

• Sobretensiones representativas de frente lento.Las sobretensiones debidas al cierre y recierre de líneassin apartarrayos fueron de 4,1 p.u. para todos los nivelesde tensión, de acuerdo al análisis de la selección delapartarrayos, por lo que las sobretensiones por maniobramáximas son

Valor de truncaciónFactor en pu

Sobretensión por maniobra aconsiderar, (kVpico)

Tensióndel

Sistema,(kVrcm) Fase-Tierra Fase-Fase Fase-Tierra Fase-Fase

13,8 51,888 74,93423 90,386 130,531

34,54,10 5,921

127,210 183,710

Para obtener la sobretensión por maniobra máxima fase-fase, se utiliza la relación entre las sobretensiones defrente lento de valores 2% fase-fase y fase-tierra, que semuestra en la figura 2 [5].

4.1.2 Tensiones de aguante de coordinación, U cw

En esta parte del proceso se consideran los diferentestipos de aislamientos y sus características, así como lanaturaleza probabilística de la descarga disruptiva y su

influencia en el desempeño de los equipos.

4.1.2.1 Tensiones de aguante de coordinación de cortaduración

Las tensiones de aguante para coordinación a lafrecuencia del sistema, son iguales en amplitud a lascorrespondientes tensiones representativas y sonaplicables tanto a los aislamientos interno y externo.

4.1.2.2 Tensiones de aguante de coordinación de frentelento.

Utilizando el método determinístico [5], la tensión de

aguante de coordinación de frente lento, será igual a lassobretensiones de frente lento representativas, que parael caso del equipo protegido por apartarrayos, es latensión residual al impulso de maniobra, multiplicado por un factor de coordinación determinístico Kcd fase-tierra;considerando la figura 6 [5] y determinando el cocienteentre la tensión residual del apartarrayos y el valor 2% delas sobretensiones por maniobra del sistema.

Para obtener el factor Kcd fase-fase se calcula el valor 2% fase-fase como función del valor 2% fase-tierra, delas sobretensiones por maniobra del sistema, por mediode un factor (k) de proporcionalidad entre la sobretensiónfase-tierra y fase-fase, que se determinó utilizando lafigura 1 [5].

Factor KcdTensión de Aguante de Coordinación

de frente lento, (kVpico)Tensión

Nominal delApartarrayos

Ur (kVrcm) Fase-Tierra Fase-Fase Fase-Tierra Fase-Fase

12 1,10 1,02 35,20 65,28021 1,10 1,00 56,10 10230 1,10 1,00 79,20 144,00

4.1.2.3 Tensiones de aguante de coordinación de frenterápido.

La tensión de aguante de coordinación por descargasatmosféricas se determina, conociendo los siguientesparámetros (índices de comportamiento):

U cw Tensión de aguante de coordinación de frente

rápidoU pl Nivel de protección del apartarrayos por

descargas atmosféricas [kV]. A Factor que describe el comportamiento a la

descarga atmosférica, de la línea de distribución,conectada a la subestación [kV]. Figura 4 [2].

n Número de líneas conectadas a la subestación L Distancia de separación entre el apartarrayos y el

equipo a proteger. Lsp Longitud del claro de la línea de distribución. Ra Índice de falla aceptable para el equipo

[fallas/eventos año]. B0 Número de salidas por descarga atmosférica. KmL Número total de km de la línea de distribución

[km].

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Tensión de aguante

requerida

Urw=Ucw*ka*ks

Urw=Ucw*k s

Para aislamiento externo

Para aislamiento interno

r e Índice de salidas de la línea de distribucióncorrespondiente al primer kilómetro en frente de lasubestación [salidas/(100 km.años)].

Tensión delSistema

(kVrcm)

Característicasde la Línea de

Distribución

Impedanciacaracterística

Z (Ω)

Númerode Líneas

n

Distancia deProtección

L (m)13,8 2 5

23 2 6

34,5

1 circuito, 1conductor por

fase, calibre # 477kCM (FLICKER),

disposiciónhorizontal

258,17

1 8

Tensióndel

Sistema(kVrcm)

A, kV

Longitud delclaro de la

línea dedistribución

L sp (m)

Índice de fallaaceptable de

los equipos R a (fallas/eventos-

año)

Índice desalidas de la

línea r e (salidas/100

km-año)

13,8 2700 150 1/400 9,675

23 2700 150 1/400 2,17034,5 2700 150 1/400 0,976

A continuación, se hace uso de la siguiente expresión paradeterminar la tensión de aguante de coordinación por descarga atmosférica Ucw dentro del radio de proteccióndel apartarrayos:

a sp

pl cw L L

L

nU U

+= ;

Donde:

e

aa

r

R L = y

kmL

Br e

0=

Tensión de Aguante de Coordinaciónde frente rápido, (kVpico)

TensiónMáxima del

Sistemal(kVrcm)

TensiónNominal delApartarrayos

Ur (kVrcm) Fase-Tierra y Fase-Fase

15,5 12 77,38727 21 92,54238 30 138,199

4.1.3 Tensiones de aguante requerida, U rw

Tensión de aguante que se requiere para asegurar que elaislamiento al ser instalado en condiciones reales,cumpla con la tensión de aguante para coordinación ensu vida útil. Estas tensiones se ven afectadasprincipalmente por dos factores:

• factor de corrección por condiciones atmosféricas oaltitud sobre el nivel del mar “k a”

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

= 8150

H m

a ek

donde:H es la altitud sobre el nivel del mar, se consideraron

dos altitudes, 1500 y 2500 msnm.m es un factor que toma los siguientes valores:

m=1 para tensiones de aguante de coordinación derayo y corta duración y para la tensión de aguante decoordinación al impulso de maniobra m, se determinade la figuar 9 [5].

• factor de seguridad ks.Si no se especifica otra cosa, se pueden aplicar lossiguientes factores [5].

- Aislamiento interno: 1,15 - Aislamiento externo: 1,05

Entonces, a partir de las tensiones de aguante de

coordinación Ucw , afectadas por los factores de

seguridad ks para el aislamiento interno y externo, y por el factor de corrección por altitud ka en el caso deaislamiento externo, se determina:

4.1.3.1 Tensiones de aguante requeridas de cortaduración.

- Para sistemas de 13,8 kV:Fase-tierra Fase-fase

AislamientoInterno externo Interno Externo

U cw (kVrcm) 10,806 10,806 18,716 18,716k s 1,15 1,05 1,15 1,05

1500 1,202 1,202k a 2500

NA1,359

NA1,359

1500 13,639 23,623U rw

(kVrcm) 250012,427

15,41921,524

26,707

- Para sistemas de 23 kV:Fase-tierra Fase-fase

Aislamiento Interno externo Interno ExternoU cw (kVrcm) 19,641 19,641 34,020 34,020

k s 1,15 1,05 1,15 1,051500 1,202 1,202

k a 2500NA

1,359NA

1,3591500 24,791 42,939U rw

(kVrcm) 250022,588

28,02739,123

48,545

- Para sistemas de 34,5 kV:Fase-tierra Fase-fase

AislamientoInterno externo Interno Externo

U cw (kVrcm) 28,795 28,795 49,875 49,875k s 1,15 1,05 1,15 1,05

1500 1,202 1,202k a 2500

NA1,359

NA1,359

1500 36,345 62,951U rw

(kVrcm) 250033,115

41,08957,356

71,169

NA: No Aplica

4.1.3.2. Tensiones de aguante requeridas de frente lento.

- Para sistemas de 13,8 kV:Fase-tierra Fase-fase

AislamientoInterno externo Interno Externo

U cw (kVrcm) 35,20 35,02 65,280 65,280k s 1,15 1,05 1,15 1,05

1500 1,202 1,202k a 2500

NA1,359

NA1,359

1500 44,429 82,400U rw

(kVrcm) 250040,480

50,22975,072

93,150

- Para sistemas de 23 kV:Fase-tierra Fase-fase

AislamientoInterno externo Interno Externo

U cw (kVrcm) 56,10 56,10 102,00 102,0

k s 1,15 1,05 1,15 1,051500 1,202 1,202

k a 2500NA

1,359NA

1,3591500 70,808 128,74U rw

(kVrcm) 250064,515

80,052117,30

145,55

- Para sistemas de 34,5 kV:Fase-tierra Fase-fase

AislamientoInterno externo Interno Externo

U cw (kVrcm) 79,20 79,20 144,00 144,00k s 1,15 1,05 1,15 1,05

1500 1,202 1,202k a 2500

NA1,359

NA1,359

1500 99,965 181,75U rw

(kVrcm) 250091,080

113,014165,600

205,48

NA: No Aplica

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4.1.3.3. Tensiones de aguante requeridas de frenterápido.

Sistema 13,8 kV 23 kV

Fase-tierra y Fase-Fase Fase-tierra y Fase-FaseAislamiento

Interno Interno Interno Interno

U cw (kVrcm) 77,387 77,387 92,542 92,542k s 1,15 1,15 1,15 1,05

1500 1,202 1,202k a 2500

NA1,359

NA1,359

1500 97,676 116,805U rw

(kVrcm)2500

88,995

110,428

106,423

132,053Sistema 34,5 kV

Fase-tierraAislamiento

Interno externo

U cw (kVrcm) 138,199 138,199k s 1,15 1,05

1500 1,202k a 2500

NA1,359

1500 174,432U rw

(kVrcm) 2500158,929

197,203

NA: No Aplica

4.1.4 Tensión de aguante normalizada, U w

En este paso se consideran las tensiones de prueba paralos aislamientos referidas a las tablas de las normas, queson finalmente los valores de tensiones de aguante queel fabricante ofrece en el mercado. Los factores deconversión para pruebas, se determinan de acuerdo a loindicado en la IEC (cláusula 5.2 [5]).

Considerando como aislamiento externo:• Claros en aire y aisladores limpios y secos• Aisladores limpios, húmedos

Y para el aislamiento interno: Líquido.

5. ANALISIS DE RESULTADOS

Para la selección del dispositivo de protección(Apartarrayos) se tomaron en cuenta las sobretensionestemporales, considerando la falla monofásica a tierracomo la más común. Conociendo la magnitud de estasobretensión se pudo determinar la tensión nominal del

Apartarrayos.

Con respecto al manejo de energía del Apartarrayos,para todos los niveles de tensión, se consideraron todoslos diferentes eventos que menciona la normativa IEC,observando que el caso más crítico es Descargas

Atmosféricas sobre conductores de las líneas aéreas

para los sistemas de 13,8, 23 y 34,5 kV.

Para todos los niveles de tensión, se consideró una líneacon un solo circuito con un conductor por fase, calibre #477 kCM (FLICKER); en disposición horizontal.Determinando la impedancia característica por medio deuna simulación digital en ATP.

6. CONCLUSIONESPara este estudio de coordinación de aislamiento asubestaciones eléctricas convencionales de 13,8; 23 y34,5 kV, se aplico la metodología de IEC 60071-2,iniciando por la selección adecuada del Apartarrayossegún las características de cada nivel de tensión.

Dentro de la optimización de la selección del aislamientodel equipo, el dispositivo de protección (Apartarrayos)

juega un papel importante, como se puede observar enlos resultados obtenidos, concluyendo que:

Para sistemas de 13,8 kV en configuración tripolar, lamejor opción es seleccionar un Apartarrayos de óxidosmetálicos, cuya tensión nominal es de 12 kV; dandocomo resultado una tensión de aguante normalizada alimpulso de rayo de 95 kV para los equipos hasta 1500msnm y de 110 kV para 2500 msnm. Con esta selección,se están aceptando los índices de comportamiento eneste sistema de 1/400 fallas/eventos-año para losequipos y de 9,675 salidas/100 km-año para la línea dedistribución con respecto a la descarga atmosférica.

Para sistemas de 23 kV en configuración tripolar, la mejor opción es seleccionar un Apartarrayos de óxidosmetálicos, cuya tensión nominal es de 21 kV; dandocomo resultado una tensión de aguante normalizada al

impulso de rayo de 125 kV para los equipos hasta 1500msnm y de 150 kV para 2500 msnm. Con esta selección,se están aceptando los índices de comportamiento eneste sistema de 1/400 fallas/eventos-año para losequipos y de 2,170 salidas/100 km-año para la línea dedistribución con respecto a la descarga atmosférica.

Para sistemas de 34,5 kV en configuración tripolar, lamejor opción es seleccionar un Apartarrayos de óxidosmetálicos, cuya tensión nominal es de 30 kV; dandocomo resultado una tensión de aguante normalizada alimpulso de rayo de 170 kV para los equipos hasta 1500msnm y de 200 kV para 2500 msnm. Con esta selección,se están aceptando los índices de comportamiento eneste sistema de 1/400 fallas/eventos-año para los

equipos y de 0,976 salidas/100 km-año para la línea dedistribución con respecto a la descarga atmosférica.

Es importante señalar que dichos valores de tensión deaguante normalizados están por debajo de losrequerimientos que solicita CFE para la adquisición deequipo nuevo.

7. REFERENCIAS

[1] Especificación CFE L0000-06, (1991) “Coordinaciónde Aislamiento “.

[2] Especificación CFE L0000-41, (1995) “Guía deaplicación de la especificación de coordinación deaislamiento “.

[3] IEC 60099-5, (1996-02) “Surge Arresters Part 5:Selection and application recommendations “.

[4] IEC 60099-4, (2001-12) “Surge Arresters Part 4:Metal-Oxide surge arresters without gaps or a.c.systems “.

[5] IEC 60071-2, (1996-12) “Insulation CoordinationPart 2 Application guide“.

[6] IEC 60071-1, (1993-12) “Insulation Coordination.Part 1 Definitions, principles and rules“.

[7] Hileman R. Andrew, “Insulation coordination of power systems, Ed. Marcel Dekker, New York,1999“

[8] F. Popolansky, “Frequency distribution of Lightningcurrents“, ELECTRA 22, mayo 1972, pp. 139-147.

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7/21/2019 NIVEL DE AISLAMIENTO S.E.DE DISTRIBUCIÓ

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FERNANDO GIOVANNI. VELÁZQUEZ CORTÉS.- Nació en laciudad de Zacapu, Mich., en 1972. Efectuó sus estudios delicenciatura en el Instituto Tecnológico de Morelia, obteniendo eltítulo de Ingeniero Electricista en 1996. Realizó estudios de

Maestría en Ingeniería Eléctrica especialidad en Alta Tensión enla FIMEE de la Universidad de Guanajuato. Ingresó a LAPEM-CFE en el año de 1999, Actualmente es titular del área depruebas de alta corriente baja tensión; en el laboratorio deSistemas de Distribución del Departamento de Distribución.e-mail: [email protected]

[email protected] JOSE LUIS ACOSTA ESPINOZA.- Nació en la Ciudad deUruapan Michoacán en 1955, es Ingeniero electricista egresadode la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la UniversidadMichoacana de San Nicolás de Hidalgo en 1978, con maestría enIngeniería de Alta Tensión terminada en la misma Facultad de laUniversidad de Guanajuato en 1992. Ingresó a CFE en el área deconstrucción de 1979 y posteriormente en la Gerencia de LAPEMen 1988. Actualmente es Auxiliar Técnico de la Oficina deSistemas de Distribución. del Departamento de Distribución.e-mail: [email protected].

JORGE GUZMAN LÓPEZ. Nació en la ciudad de Moroleón,Guanajuato en 1955. Efectuó sus estudios de licenciatura en laFacultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica de laUniversidad de Guanajuato, obteniendo el título de IngenieroElectricista en 1981. Realizó estudios de Maestría en IngenieríaEléctrica especialidad en Alta Tensión en la FIMEE de laUniversidad de Guanajuato. Actualmente es Jefe de de la Oficinade Sistemas de Distribución, del Departamento de Distribución.e-mail: [email protected]