estudio de las sobretensiones por descargas atmosféricas directas

II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA
ELÉCTRICA
Junio 2009
Comité Nacional Venezolano
B2-41
ESTUDIO DE LAS SOBRETENSIONES POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
DIRECTAS EN LÍNEAS AÉREAS DE DISTRIBUCIÓN. CASO: LÍNEAS AÉREAS DE
DISTRIBUCIÓN DE 13.8 KV EN LOS DISTRITOS SAN TOMÉ Y MÚCURA DE PDVSA
A. Bande
V. Martínez
E. Uzcátegui
PDVSA División Faja
L. Alcalá
RESUMEN
En esta investigación se presenta un estudio de sobretensiones causadas por descargas atmosféricas
directas, aplicada a las líneas de distribución de los Distritos San Tomé y Múcura de PDVSA. El objetivo
de esta investigación consiste en determinar la tasa de salida forzada por descargas atmosféricas directas,
las cuales corresponden a las causadas por fallas de apantallamiento y por backflashover, usando el
programa FLASH 1.7 y la metodología propuesta por la EPRI para la falla de apantallamiento y los
programas ATPDraw y PSCAD para la tasa de salida por backflashover. En este estudio se determina la
influencia de los descargadores de sobretensión, nivel de aislamiento de la línea, y valor de la resistencia
de puesta a tierra sobre la tasa de salida. Los resultados obtenidos indican que las líneas poseen un ángulo
de apantallamiento efectivo, el uso de los descargadores de sobretensión a lo largo de la línea, evita la
descarga retroactiva, siempre y cuando éstos se encuentren correctamente dimensionados en cuanto a su
capacidad energética; de lo contrario ocurrirá una falla en este dispositivo, las sobretensiones en las líneas
doble terna, son de igual magnitud en ambos circuitos, donde es posible que ocurra una salida en los dos
circuitos a consecuencia de un impacto directo, por lo cual la configuración de la línea dependerá de un
estudio riesgo-beneficio, el valor óptimo de resistencia de puesta a tierra es de 10 omhs, y el uso de
aisladores en suspensión con un CFO mínimo de 360kV contribuye a disminuir la tasa de salida por
backflashover. Finalmente aplicando las recomendaciones dadas se estima reducir la tasa de salida en un
43.6 y 70.5 % para las líneas simple terna y doble terna respectivamente.
PALABRAS CLAVE
Backflashover, Descargador de Sobretensiones, Descargas Atmosféricas, Falla de Apantallamiento
Sobretensiones, Tasa de Salida.
bandeantonio@gmail.com
I Descargas Atmosféricas Directas
Este tipo de descargas ocurren cuando el rayo impacta directamente al sistema, bien sea incidiendo sobre el
conductor de guarda, fase o en el poste. Las fallas ocasionadas por estos impactos se clasifican en fallas de
apantallamiento y fallas por descargas retroactivas o backflashover
1.1 Falla de Apantallamiento.
Este tipo de falla tiene lugar cuando el rayo desprecia al conductor de guarda o la estructura y termina
impactando directamente en el conductor de fase, originando que se desarrollen sobretensiones en la línea;
la tasa de salida debida a la falla de apantallamiento se obtuvo mediante el uso del programa FLASH V 1.7
y la metodología propuesta por [1] la cual viene expresada por (1).
N FA = 0.012T . Xs.(P min − P max )
.P ( I ) =
(1)
1
⎛I
⎞
1 + ⎜⎜ [kA ] ⎟⎟
⎝ 31 ⎠
2 .6
(2)
Donde; T es un indicador del nivel ceráunico el cual está definido como el número de días al año que un
trueno se escucha en una región particular, Xs representa el área desprotegida por el conductor de guarda y
Pmin y Pmax son las probabilidades de exceder las corrientes mínimas y máximas respectivamente, donde
entre estos extremos de corrientes es que se ocasionan fallas de apantallamiento, obtenidas por (2).
1.2 Falla por descarga retroactiva (backflashover).
Cuando la descarga incide sobre el conductor de guarda o sobre el poste, la corriente del rayo se propaga por
todos los caminos posibles, dividiéndose en una parte que viaja a tierra a través del poste y otra que a su vez
se divide en dos partes iguales que se propagan en ambos sentidos a través del conductor de guarda; ésta
propagación de ondas tanto en el conductor de guarda como en el poste produce sobretensiones en la cruceta
y en los conductores de fase sometiendo al aislador a una diferencia de potencial que puede llegar a exceder
su Voltaje Crítico de Flashover (CFO) y ocasionar un arco entre la cruceta y el conductor de fase, a esto se
le denomina la descarga retroactiva o backflashover. Para determinar ésta tasa de salida se usaron los
programas ATPDraw y PSCAD, luego de haber modelado las líneas aéreas de distribución para simular la
descarga del rayo en el conductor de guarda y así determinar cual es el mínimo valor pico de la corriente de
un rayo que ocasiona la descarga retroactiva, se evalúa la probabilidad de ocurrencia de ésta (PImin) y
finalmente obtener la tasa de salida mediante (3).
N DR = NL.P (Im in) (3) Donde:
NL = 0.012.T (b + 4h1.09 ) (4)
En la ecuación (4) se tiene que b es la separación horizontal de los conductores de guarda y h es la altura de
dicho conductores, ésta establece una relación entre el nivel ceráunico de la zona en estudio y la geometría
de la línea, la cual es conocida como el número de descargas directas a la línea por unidad de longitud y
tiempo [km/año].
II Uso del programa FLASH v 1.7
Este programa fue desarrollado por un grupo de trabajo del IEEE [2] para implementar y probar sus métodos
para determinar la tasa de salida en líneas aéreas de transporte, éste se basa en los 27 pasos necesarios para
obtener la tasa de salida por falla de apantallamiento propuestos por J.G Anderson. Éste es del tipo
ejecutable y es desarrollado en el ambiente MS-DOS, en él los datos necesarios se van introduciendo de
forma secuencial.
III Uso de los Programas ATPDraw y PSCAD
Para poder representar la línea aérea de distribución ante una descarga atmosférica directa, es necesario
representar los elementos que componen la línea y que intervienen en el proceso. Los componentes del
programa ATPDraw permiten representar con precisión a una línea en régimen transitorio, en general el
2
modelo más preciso consiste en representar la línea con parámetros distribuidos y dependientes de la
frecuencia [3], de forma muy similar se modeló la línea en el programa PSCAD.
3.1 Representación de la Línea.
El modelo para representar la línea aérea es el de JMARTI, el cual genera un modelo de onda viajera con
parámetros distribuidos y dependiente de la frecuencia y sólo es valido para líneas aéreas. La línea se
representa por tramos cuya longitud es la de un vano. Debido a que la máxima sobretensión ocurre en el
punto de impacto, no es necesario la representación de toda la línea, en este trabajo sólo se representan tres
vanos a partir de éste punto.Estas líneas operan a 13.8 kV y presentan dos únicas configuraciones las cuales
son líneas simple terna con disposición de los conductores de forma horizontal y líneas doble terna con
disposición de los conductores de forma vertical. Como ya se mencionó, solo se representan tres vanos a
partir del punto de impacto de la descarga atmosférica, lo cual hace necesario implementar un modelo que
evite las reflexiones de ondas, esto se logra añadiendo a ambos extremos del modelo vanos con una longitud
de 3 km, con esto se modela el sistema como si fuese de longitud infinita.
3.2 Representación de los Postes.
Son simulados mediante un arreglo de impedancias conectadas en serie y por tramos, para representar el
tiempo de viaje de la propagación de la onda a cada nivel de la estructura. Estas impedancias son de igual
valor para evitar las reflexiones de onda, pero en cada tramo se especifica la longitud del mismo, con la
intención de incluir el tiempo de viaje de la onda. El valor de esta impedancia es calculado a partir de la
geometría del poste y se coloca en serie con la resistencia de puesta a tierra de la estructura. Ver Figura 1.
3.3 Representación de la Corriente del Rayo.
La corriente del rayo es representada por una fuente de corriente disponible en el ATPDraw, la cual es una
fuente denominada HEIDLER que proporciona una forma de onda exponencial como se muestra en la
Figura 2. En el caso del programa PSCAD fue necesaria la creación de un nuevo componente, el cual
evalúa en el tiempo la función matemática de la forma de onda tipo HEIDLER para luego asignar éste
valor a una fuente de corriente. Ver Figura 2.
Fig. 1 Arreglo de impedancias que modelan al poste.
Fig. 2 Representación de la corriente del Rayo.
3.4 Representación de la descarga Retroactiva.
Es representada usando interruptores controlados por voltaje, es colocado un interruptor en cada fase para
poder monitorear las sobretensiones de forma individual, se fija como voltaje de control el
(Critical FlashOver) CFO del aislador y cuando la sobretensión ocasionada por la descarga atmosférica
directa alcanza este valor, el interruptor cierra sus contactos simulando así el backflashover, esto permite
conocer para cual valor de corriente fue originada esta sobretensión.
3.5 Resistencia de puesta a tierra.
Esta es representada por su comportamiento dinámico variante en función de la corriente del rayo. Para
lograr la variación de la resistencia de puesta a tierra de acuerdo a la magnitud de la corriente del rayo se usó
la ecuación (5) planteada por [4]. Esto es logrado mediante la creación de un nuevo componente, tanto en el
programa ATPDraw, como en el PSCAD véase Figura 3.
3
R (I R ) =
Siendo:
Ro
⎛I ⎞
1+ ⎜ R ⎟
⎜I ⎟
⎝ g⎠
1 ρE o
Ig =
2π Ro 2
(5)
(6)
Fig. 3 Representación de la Resistencia de Puesta a Tierra.
3.6 Representación de los Descargadores de Sobretensión.
Son modelados siguiendo lo propuesto en el IEEE [5], donde se
plantea un modelo dependiente de la frecuencia el cual contiene dos
resistencias no lineales, (Ao y A1) éstas están separadas por un filtro
R-L (R1 y L1), la intención de este filtro es modificar el valor de la
impedancia con la frecuencia., también contiene una inductancia (Lo)
para representar el campo magnético en la vecindad del descargador
de sobretensiones, ésta inductancia está en paralelo con una
resistencia en (Ro) usada para evitar problemas numéricos durante la
simulación., y una capacitancia Co inherente a la longitud del
dispositivo, en la Figura 4 se encuentra el modelo implementado.
Fig. 4 Modelo de los
Descargadores de Sobrtensión.
Tabla I Datos del Descargador de Sobretensión Tipo Heavy Duty PDV100-Optima de Ohio Bras
Rated
Voltaje
kV
MCOV
kV
0.5 usec
10kA
Maximum
IR-kV
500 A
Switching
Surge
Maximum
IR-kV
12
10.2
40.4
29
8/20 maximum Discharge Voltage-kV
1.5
kA
30.3
3
kA
32.3
5
kA
34.2
10
kA
37.6
20
kA
42.3
40
kA
50.3
3.7 Representación de la Tensión a Frecuencia de Operación.
Es importante considerar que la línea se encuentra activa al momento de recibir la descarga atmosférica ya
que el nivel de sobretensión ocasionado también depende de la tensión nominal del sistema, se ha
colocado en el modelo una fuente de voltaje AC donde el usuario especifica su amplitud y frecuencia.
3.8 Modelos implementados en los programas ATPDraw y PSCAD.
En la Figuras 5 y 6 se observan los modelos usados para simular el efecto del impacto de una descarga
atmosférica en el conductor de guarda de la línea; desarrollados en ATPDraw y PSCAD respectivamente,
en ellas se observan todos los componentes descritos, que juntos representan la línea aérea de distribución,
nótese que este posee simetría a partir del punto de impacto, sólo que en un extremo de la línea se coloca
una fuente de voltaje para simular que la línea se encuentra activa al momento de recibir la descarga
atmosférica.
Fig. 5 Modelo de la línea de distribución doble
terna en ATPDraw.
Figura 6 Modelo de la línea de distribución
doble terna en PSCAD.
4
IV Resultados
Para la obtención de los resultados se consideró que ambas líneas (simple terna y doble terna) poseen
conductores de fase del tipo ACSR 2/0 AWG, conductores de guarda de acero galvanizado calibre 3/8” y
que las líneas simple terna poseen aisladores tipo ping de 34.5 kV, mientras las líneas doble terna usan
aisladores tipo suspensión de 34.5 kV ambos con un CFO de 156 kV. Es importante mencionar el nivel
ceráunico de la zona en estudio fue tomado de [6] el cual es de 80 días de tormenta al año.
4.1 Tasa de salida por falla de Apantallamiento.
En la Tabla II, se presentan los resultados obtenidos de la tasa de salida por falla de apantallamiento
mediante el uso del programa FLASH V1.7 del IEEE y las ecuaciones propuestas por [1] para cada
configuración de la línea, tanto para la línea simple terna y doble terna; Adicionalmente se ha calculado la
tasa de salida suponiendo que las líneas no poseen conductor de guarda y ocurre un impacto directo en un
conductor de fase, nótese como sin el conductor de guarda la tasa de salida es alta y que con la presencia de
éste, la tasa de salida se reduce notablemente. Mediante estos resultados se puede apreciar que las líneas
poseen un buen ángulo de apantallamiento, puesto que al comparar el ángulo de apantallamiento actual con
el ángulo de apantallamiento efectivo se observa que el ángulo actual es menor que el efectivo, lo cual en
relación [1] es un indicador de que el conductor de guarda está bien ubicado.
Tabla II Tasa de salida por falla de
apantallamiento
Con conductor
de guarda
Simple
Doble
terna
terna
Sin conductor
de guarda
Simple Doble
terna
terna
4.2
Efecto
del
descargador
de
sobretensiones en la diferencia de tensión
del aislador.
El valor de la tensión a la que se somete el
aislador de la línea esta determinado por la
diferencia de la tensión entre el conductor de
# Salidas
0.05334
0.0046
58,3191
53.2331
fase y la tensión en el poste, y la función de un
por 100
descargador de sobretensiones es proteger
km/año
equipos conectados próximos a éste, esto es
Angulo de
39.6801º 28.5462º N/A
N/A
posible debido a que se comporta como si fuese
Ap. Actual
un circuito abierto mientras la tensión en el
Angulo de 55.1605º 39.2962º N/A
sistema al que este conectado no sobrepase el
N/A
Ap. efectivo
valor nominal, de lo contrario este incrementa su
conductividad, comportándose como un circuito cerrado; en la Figura 7, se muestra la sobretensión en un
conductor de fase y en el poste, ocasionada por el impacto de un rayo de 200 kA 2/50 μs al conductor de
guarda de una línea simple terna, esto cuando el impacto del rayo tiene lugar en un vano con descargadores
de sobretensión instalados y con una resistencia de puesta a tierra de 10 Ω.
Fig. 7 Sobretensiones debidas al impacto de un rayo en un vano con descargador de sobretensión, en
(a) conductor de fase y en el poste y (b) Diferencia de tensión en los aisladores.
5
El poste y los conductores de fase son sometidos a una sobretensión considerable (ver Figura 7-a), pero la
diferencia de tensión a la que se somete el aislador es baja, debido a que el descargador de sobretensiones
se encarga de que estos dos puntos (poste y fase), tengan valores de tensión muy similares; es decir, forma
un punto equipotencial, con la finalidad de que la sobretensión sea drenada a través del descargador de
sobretensiones y evitar la descarga retroactiva. Lo que se traduce en una reducción significativa a la
diferencia de tensión a la que se someten los aisladores de la línea, esto se observa en la Figura 7-b.
4.3 Sobretensiones en una línea Doble terna.
Cuando estas líneas se ven afectadas por el impacto de un rayo en el conductor de guarda se desarrollan
sobretensiones en ambos circuitos, siendo éstas de igual valor en comparación de los voltajes de fase de
un circuito respecto al otro. Esto se debe a que la ubicación de los conductores esta hecha de forma
simétrica a partir del poste. En la Figura 8 se muestra el caso de cuando ocurre un backflashover en ambos
circuitos
Fig. 8 tensiones en los aisladores cuando ocurre un backflashover en ambos circuitos.
En éstas líneas existe la posibilidad de que ocurra una descarga retroactiva en ambos circuitos, por tal razón
para ellas se presentan dos tasa de salida, siendo una de éstas para cuando ocurre un backflashover en un
solo circuito y otra cuando ocurre un backflashover en ambos circuitos.
4.4 Tasa de salida por descargas retroactivas (Backflashover)
Debido a que las líneas poseen instalados los descargadores de sobretensión de forma intercalada la tasa
de salida está determinada por el caso cuando el impacto del rayo se produce en un vano donde no hay
descargadores de sobretensión y éstos se encuentran en los vanos adyacentes al impacto del rayo. En la
Tabla III. Se muestran los resultados de la tasa de salida por descargas retroactivas, fueron calculados
evaluando dos tiempos de frente (1.2 y 2 μs) para la forma de onda de la corriente del rayo, evaluado dos
valores de CFO diferentes, siendo el primero de ellos el que corresponde a la situación actual de las líneas,
es de156 kV y con cada uno de los programas de simulación de transitorios electromagnéticos.
Tabla III Tasa de salida por backflashover
Conf.
CFO
156
Simple terna
360
Doble terna 156
(Falla un cto.) 360
Mediante ATPDraw
Mediante PSCAD
Ic [kA]
# Salidas por 100 km/año
Ic [kA]
# Salidas por 100 km/año
1.2/50 2/50
1.2/50
2/50
1.2/50 2/50
1.2/50
2/50
11 21.7
54.63
41.79
12.9 19.7
52.91
44.60
19.2 36
45.29
23.56
21.6 34.9
41.93
24.70
15.6 29.8
45.59
27.98
19.3 27.1
41.21
31.22
31.9 59.7
25.63
8.196
34.9 53.7
22.55
10.29
6
Tabla IV Caso particular de la salida de ambos
circuitos en las líneas doble terna. Y salida
simultanea de dos líneas simple terna.
# de salidas por 100 km/año
Falla de dos
Falla ambos
Líneas
Ic (kA)
ctos. de una
CFO
Simple terna
Doble terna
(kV)
[7]
1,2/50 2/50 1,2/50 2/50 1,2/50 2/50
156 17,6 36,5 43,302 21,051 0,9376 0,5509
360 34,6 72,5 22,844 5,2681 0,6464 0,1754
El numero de salidas de dos líneas simple terna es
notablemente menor que el número de veces que fallan
ambos circuitos en una línea doble terna; en el mejor
de los casos se tiene una variación de 5.26 a 0.17
salidas por 100 km/año. Entonces desde este punto de
vista es conveniente tener dos líneas simple terna
en vez de una doble terna. (Siempre y cuando
sea factible).
Adicionalmente se muestra la variación de la
tasa de salida de las líneas, ordenada de forma
decreciente, desde su forma primitiva en una
línea sin conductor de guarda, hasta incluir la
mejora en la resistencia de puesta a tierra y el
nivel de aislamiento. Finalmente se obtiene para
las líneas simple terna, ver Figura 9- (a) que
usando el conductor de guarda, con un CFO de
360 kV y una resistencia de puesta a tierra de 10
Ω se obtiene una disminución de la tasa de salida
que está entre un 22.3 y 42.6 % dependiendo del
tiempo de frente de la corriente del rayo, de igual
forma para las líneas doble terna ver Figura 9(b), se tiene que se la disminución en la tasa se
salida se encuentra entre un 58.5 y 84.6 %.
Figura 9 Variaciones de la tasa de salida por backflashover en las líneas doble terna (a) Líneas
simple terna y (b) Líneas doble terna
4.5 Variación de la tasa de salida con la resistencia de puesta a tierra
Fig. 10 Variacion de las salidas en lineas
Simple Terna (a) 1.2/50 μs y (b) 2/50 μs
Fig. 11 Variacion de las salidas en lineas
Doble Terna. (a) 1.2/50 μs y (b) 2/50 μs
7
Se realizó un análisis de sensibilidad variando los valores de resistencia de puesta a tierra entre 10 y 100 Ω
(resistividad del terreno de 1000 Ω-m), con la intención de determinar la influencia de éste parámetro. En
las Figuras 10 y 11 se puede observar como al disminuir el valor de la resistencia de puesta a tierra
también disminuye la tasa de salida de las líneas.
V Conclusiones
• La ubicación de los cables de guarda es adecuada, debido a que los resultados obtenidos en la
determinación de esta tasa de salida fueron bajos, por lo tanto, el conductor de guarda cumple
correctamente su función de proveer una adecuada protección a los conductores de fase.
• Las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas que impactan en el conductor de guarda de las
líneas aéreas de distribución doble terna son de igual magnitud en ambos circuitos, y tienden a generar
una falla en ambos para su empleo debe realizarse un estudio de riesgo beneficio.
• Con una resistencia de puesta a tierra alrededor de 10 Ω, y con sólo modificar el nivel de aislamiento
desde un CFO de 156 kV a 360 kV, se logra reducir la tasa de salida por backflashover en un 43.6 y
70.5 % para las líneas simple terna y doble terna respectivamente.
• El uso del descargador de sobretensiones evitan la descarga retroactiva cuando el impacto del rayo se
produce en un vano que posea instalados éstos dispositivos, sin embargo, debe tenerse en cuenta que
este dispositivo tiene una capacidad energética de diseño, la cual no se debe exceder, de lo contrario la
falla ocurrirá como consecuencia de un daño permanente al descargador de sobretensiones.
VI Recomendación
Aunque los descargadores de sobretensión teóricamente evitan el flameo a través del aislamiento a
consecuencia de la igualación de potencial entre la estructura y el conductor de fase, se tiene
incertidumbre con respecto al proceso de disipación de energía de éstos equipos, adicionalmente la
experiencia en campo señala que éstos equipos son un punto de falla elevado y además se puede demostrar
estadísticamente que alrededor del 15% de los modos de fallas del sistema eléctrico en estudio se deben a
éstos, a pesar de contar con un sistema de puesta a tierra adecuado y descargadores de sobretensión tipo
Heavy Duty (mayor disipación de energía en el mercado). En tal sentido; éstos equipos por un lado
brindan un beneficio reduciendo la tasa de salida transitoria por backflashover, pero por otro lado generan
un problema por disipación de energía que originan fallas permanentes en el sistema. Por lo antes
expuesto y en pro de reducir la tasa de salida, se recomienda implantar soluciones que tenga la menor
incertidumbre ante los fenómenos transitorios, estamos hablando de: cable de guarda, puesta a tierra
(dentro de lo posible homogénea) alrededor de 10 Ω y aislamiento con CFO normalizado a 360 kV pico
negativo.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Anderson, J. G. Transmission Line Reference Book 345 kV and Adove. (1982). 2nd Edition. Palo
Alto, California. EPRI (Electric Power Research Institute).
[2] IEEE. (1997).Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines. Standard IEEE
1243.
[3] Martínez, J. (1999) Modelización de Redes de Distribución para el Calculo de Sobretensiones.
Trabajo De Investigación. Universidad Politécnica De Cataluña.
[4] Martínez, J. y Castro, F. (s. f.). Análisis De Sobretensiones De Origen Atmosférico En Líneas Aéreas
De Transporte. Trabajo De Investigación. Universidad Politécnica De Cataluña.
[5] IEEE (1992) Modeling of Metal Surge Arresters. Working group 3.4.11
[6] Ferro, C; Tarazona, J; y Urdaneta, A. (2005) Caracterización Cartográfica de la Actividad Ceráunica
Venezolana y el Uso en el Diseño de Líneas Aéreas. Trabajo de Investigación VI Jornadas Profesionales
de CVG EDELCA.
[7] IEEE (1997) Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power
Systems Standard IEEE 493
8