Coordinación de aislamiento en el sistema eléctrico

La Coordinación de Aislamiento en el Sistema Eléctrico se introdujo para organizar los niveles de aislamiento eléctrico de diferentes componentes en el sistema eléctrico de potencia, incluyendo la red de transmisión, de tal manera que, si ocurre un fallo del aislador, se confine al lugar donde resulte en el menor daño al sistema, sea fácil de reparar y reemplazar, y cause la menor perturbación al suministro de energía.
Cuando aparece cualquier sobretensión en el sistema eléctrico de potencia, puede haber una posibilidad de fallo de su sistema de aislamiento. La probabilidad de fallo del aislamiento es alta en el punto más débil de aislamiento más cercano a la fuente de sobretensión. En los sistemas de potencia y redes de transmisión, se proporciona aislamiento a todo el equipo y componentes.

Los aisladores en algunos puntos son fácilmente reemplazables y reparables en comparación con otros. El aislamiento en algunos puntos no es tan fácilmente reemplazable y reparable, y el reemplazo y reparación pueden ser muy costosos y requerir largas interrupciones de energía. Además, el fallo de un aislador en estos puntos puede causar que una parte mayor de la red eléctrica quede fuera de servicio. Por lo tanto, es deseable que, en caso de fallo del aislador, solo falle el aislador fácilmente reemplazable y reparable. El objetivo general de la coordinación de aislamiento es reducir a un nivel económicamente y operativamente aceptable el costo y la perturbación causados por el fallo del aislamiento. En el método de coordinación de aislamiento, el aislamiento de las diferentes partes del sistema debe estar tan graduado que, si ocurre un flashover, debe ocurrir en los puntos previstos.
Para comprender adecuadamente la coordinación de aislamiento, primero debemos entender algunas terminologías básicas del sistema eléctrico de potencia. Vamos a discutirlo.

Tensión Nominal del Sistema

La Tensión Nominal del Sistema es la tensión fase a fase del sistema para el cual el sistema está normalmente diseñado. Por ejemplo, sistemas de 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV.

Tensión Máxima del Sistema

La Tensión Máxima del Sistema es la tensión de frecuencia de potencia máxima permitida que puede ocurrir, posiblemente durante mucho tiempo, durante condiciones de carga nula o baja carga del sistema de potencia. También se mide en forma fase a fase.
Se proporciona a continuación una lista de diferentes tensiones nominales del sistema y sus correspondientes tensiones máximas del sistema para referencia,

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

Factor de Tierra

Este es la relación entre la tensión de frecuencia de potencia de valor eficaz más alta de fase a tierra en una fase sana durante una falla a tierra y la tensión de frecuencia de potencia de valor eficaz fase a fase que se obtendría en la ubicación seleccionada sin la falla.
Esta relación caracteriza, en términos generales, las condiciones de tierra de un sistema desde la ubicación seleccionada de la falla.

Sistema Eficientemente Aterrizado

Se dice que un sistema está eficientemente aterrizado si el factor de tierra no excede el 80 % y no está eficientemente aterrizado si lo hace.
El factor de tierra es del 100 % para un sistema con neutro aislado, mientras que es del 57.7 % (1/√3 = 0.577) para un sistema sólidamente aterrizado.

Nivel de Aislamiento

Cada equipo eléctrico tiene que soportar diferentes situaciones de sobretensión transitoria anormal en diferentes momentos durante su período total de vida útil. El equipo puede tener que soportar impulsos de rayo, impulsos de conmutación y/o sobretensiones de frecuencia de potencia de corta duración. Dependiendo del nivel máximo de voltajes de impulso y sobretensiones de frecuencia de potencia de corta duración que un componente del sistema de potencia pueda soportar, se determina el nivel de aislamiento del sistema de potencia de alta tensión.
Durante la determinación del nivel de aislamiento del sistema con una clasificación inferior a 300 kV, se consideran el voltaje de resistencia a impulsos de rayo y el voltaje de resistencia a sobretensiones de frecuencia de potencia de corta duración. Para equipos con una clasificación igual o superior a 300 kV, se consideran el voltaje de resistencia a impulsos de conmutación y el voltaje de resistencia a sobretensiones de frecuencia de potencia de corta duración.

Voltaje de Impulso de Rayo

Las perturbaciones del sistema debido a los rayos naturales, pueden representarse mediante tres formas de onda básicas diferentes. Si un voltaje 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 acerca a la onda completa, y esta onda se denomina 1.2/50. Si durante el viaje, la onda de perturbación de rayo causa un flashover a través de un aislador, la forma de la onda se convierte en una onda truncada. Si un rayo golpea directamente en el aislador, entonces el voltaje de impulso de rayo puede subir bruscamente hasta que se alivia por un flashover, causando un colapso repentino y muy brusco en el voltaje. Estas tres ondas son bastante diferentes en duración y en forma.

Impulso de Conmutación

Durante la operación de conmutación, puede aparecer un voltaje unipolar en el sistema. La forma de onda de este puede ser periódicamente amortiguada u oscilante. La forma de onda del impulso de conmutación tiene un frente empinado y una cola oscilante y amortiguada de larga duración.

Voltaje de Resistencia a Sobretensiones de Frecuencia de Potencia de Corta Duración

El voltaje de resistencia a sobretensiones de frecuencia de potencia de corta duración es el valor eficaz prescrito de tensión sinusoidal de frecuencia de potencia que el equipo eléctrico debe soportar durante un período de tiempo específico, normalmente 60 segundos.

Voltaje de Nivel de Protección de Dispositivos Protector

Los dispositivos protectores contra sobretensiones, como los pararrayos o pararrayos, están diseñados para soportar un cierto nivel de sobretensión transitoria más allá del cual los dispositivos drenan la energía del impulso a tierra y, por lo tanto, mantienen el nivel de sobretensión transitoria hasta un nivel específico. Así, la sobretensión transitoria no puede superar 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 contra sobretensiones cuando se aplican impulsos de conmutación e impulsos de rayo.

Ahora, vamos a discutir los métodos de coordinación de aislamiento uno por uno-

Usando Cable de Escudo o Cable de Tierra

El impulso de rayo en la línea de transmisión aérea puede causarse debido a impactos directos de rayos. Puede protegerse proporcionando un cable de escudo o cable de tierra a una altura adecuada desde el conductor superior de la línea de transmisión. Si el cable de escudo conductor está correctamente conectado al cuerpo de la torre de transmisión y la torre está correctamente aterrizada, entonces los impactos directos de rayos pueden evitarse en todos los conductores que