¿Qué es la Coordinación de Aislamiento en el Sistema Eléctrico?

¿Qué es la Coordinación de Aislamiento en el Sistema Eléctrico?

Definición de Coordinación de Aislamiento

La coordinación de aislamiento es la disposición estratégica del aislamiento eléctrico para minimizar los daños al sistema y asegurar reparaciones fáciles en caso de fallo.

Voltajes del Sistema

Entender los voltajes nominales y máximos del sistema es crucial para diseñar el aislamiento de un sistema eléctrico que pueda manejar diferentes condiciones operativas.

Voltaje Nominal del Sistema

El Voltaje Nominal del Sistema es el voltaje entre fases del sistema para el cual se diseña normalmente. Por ejemplo, sistemas de 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV.

Voltaje Máximo del Sistema

El Voltaje Máximo del Sistema es el voltaje de frecuencia de potencia máximo permitido que puede ocurrir, posiblemente durante un largo tiempo, durante condiciones de carga nula o baja carga del sistema eléctrico. También se mide en términos de fase a fase.

A continuación se presenta una lista de diferentes voltajes nominales del sistema y sus correspondientes voltajes máximos del sistema para referencia,

NB – Se observa en la tabla anterior que generalmente el voltaje máximo del sistema es el 110 % del voltaje nominal correspondiente hasta el nivel de voltaje de 220 kV, y para 400 kV y superior, es el 105 %.

Factor de Conexión a Tierra

Este es la relación entre el voltaje de frecuencia de potencia de línea a tierra más alto en valor eficaz en una fase sana durante una falla a tierra y el voltaje de frecuencia de potencia de línea a línea en valor eficaz que se obtendría en la ubicación seleccionada sin la falla.

Esta relación caracteriza, en términos generales, las condiciones de conexión a tierra de un sistema desde la ubicación de la falla seleccionada.

Sistema Efectivamente Conectado a Tierra

Se dice que un sistema está efectivamente conectado a tierra si el factor de conexión a tierra no excede el 80 % y no efectivamente conectado a tierra si lo hace.

El factor de conexión a tierra es del 100 % para un sistema con neutro aislado, mientras que es del 57.7 % (1/√3 = 0.577) para un sistema sólidamente conectado a tierra.

Nivel de Aislamiento

Cada equipo eléctrico tiene que soportar diferentes situaciones de sobretensión transitoria anormal en diferentes momentos durante su período total de servicio. El equipo puede tener que resistir impulsos de rayo, impulsos de maniobra y/o sobretensiones de frecuencia de potencia de corta duración. Dependiendo del nivel máximo de impulsos de tensión y sobretensiones de frecuencia de potencia de corta duración que un componente del sistema de potencia puede soportar, se determina el nivel de aislamiento del sistema de alta tensión.

Al determinar el nivel de aislamiento de un sistema con una tensión nominal inferior a 300 kV, se consideran la tensión de impulso de rayo y la tensión de sobretensión de frecuencia de potencia de corta duración. Para equipos con una tensión nominal igual o superior a 300 kV, se consideran la tensión de impulso de maniobra y la tensión de sobretensión de frecuencia de potencia de corta duración.

Tensión de Impulso de Rayo

Las perturbaciones del sistema causadas por rayos naturales pueden representarse mediante tres formas de onda básicas diferentes. Si una tensión de impulso de rayo viaja cierta distancia a lo largo de la línea de transmisión antes de llegar a un aislador, su forma de onda se aproxima a la onda completa, y esta onda se conoce como 1.2/50. Si durante el viaje, la onda de perturbación causa un flashover a través de un aislador, la forma de la onda se convierte en una onda cortada. Si un rayo golpea directamente un aislador, la tensión de impulso de rayo puede aumentar bruscamente hasta que se alivia por un flashover, causando un colapso muy brusco en la tensión. Estas tres ondas son bastante diferentes en duración y forma.

Impulso de Maniobra

Durante la operación de maniobra, puede aparecer una tensión unipolar en el sistema. La forma de onda de la misma puede ser periódicamente amortiguada u oscilante. La forma de onda de impulso de maniobra tiene un frente empinado y una cola de oscilación amortiguada larga.

Tensión de Sobretensión de Frecuencia de Potencia de Corta Duración

La tensión de sobretensión de frecuencia de potencia de corta duración es el valor eficaz prescrito de la tensión sinusoidal de frecuencia de potencia que el equipo eléctrico debe soportar durante un período específico de tiempo, normalmente 60 segundos.

Dispositivos de Protección

Los dispositivos protectores contra sobretensiones, como los pararrayos, están diseñados para soportar un cierto nivel de sobretensión transitoria más allá del cual los dispositivos drenan la energía del impulso hacia el suelo y, por lo tanto, mantienen el nivel de sobretensión transitoria hasta un nivel específico. Así, la sobretensión transitoria no puede exceder ese nivel. El nivel de protección de los dispositivos protectores contra sobretensiones es el valor pico de tensión más alto que no debe superarse en los terminales de los dispositivos protectores cuando se aplican impulsos de maniobra y rayo.

Uso de Cable de Protección o Cable de Tierra

Las sobretensiones por rayo en las líneas de transmisión aéreas pueden resultar de descargas directas de rayo. Instalar un cable de protección o cable de tierra sobre el conductor superior a una altura adecuada puede proteger estas líneas. Si este cable de protección está correctamente conectado a la torre de transmisión y la torre está bien conectada a tierra, puede prevenir descargas directas de rayo en cualquier conductor dentro del ángulo de protección del cable de tierra. Los cables de protección también protegen subestaciones eléctricas y su equipo de los rayos.

Método Convencional de Coordinación de Aislamiento

Como se discutió, los componentes en un sistema de potencia eléctrica pueden experimentar niveles variables de tensiones transitorias, incluyendo tensiones de impulso de maniobra y rayo. Usar dispositivos protectores como pararrayos puede limitar la amplitud máxima de estas sobretensiones transitorias. Al mantener los niveles de aislamiento por encima del nivel de protección de los dispositivos protectores, se minimiza la probabilidad de ruptura del aislamiento. Esto asegura que cualquier sobretensión transitoria que llegue al aislamiento esté dentro de los límites seguros establecidos por el nivel de protección.

Generalmente, el nivel de aislamiento de impulso se establece entre 15 y 25 % por encima del nivel de tensión de protección de los dispositivos protectores.

Métodos Estadísticos de Coordinación de Aislamiento

En tensiones de transmisión más altas, la longitud de las cadenas de aisladores y el espacio en el aire no aumentan linealmente con la tensión, sino aproximadamente a V1.6. El número requerido de discos de aislador en la cadena de suspensión para diferentes sobretensiones se muestra a continuación. Se observa que el aumento en el número de discos es solo ligero para un sistema de 220 kV, con el aumento en el factor de sobretensión de 2 a 3.5, pero hay un aumento rápido en el sistema de 750 kV. Por lo tanto, aunque puede ser económicamente viable proteger las líneas de menor tensión hasta un factor de sobretensión de 3.5 (por decir), definitivamente no es económicamente viable tener un factor de sobretensión mayor que alrededor de 2 a 2.5 en las líneas de mayor tensión. En los sistemas de mayor tensión, son las sobretensiones de maniobra las predominantes. Sin embargo, estas pueden controlarse mediante un diseño adecuado de los dispositivos de maniobra.

Eficiencia Económica

La coordinación de aislamiento debe equilibrar los requisitos técnicos con la viabilidad económica, especialmente en los niveles de tensión más altos.