Método simplificado de “los dos puntos” para evaluar el comportamiento de una línea de transmisión ante descargas atmosféricas Parte II

El método de evaluación del número de salidas de la línea causadas  por el fenómeno de flameo inverso.

15 Oct 2011
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2. Fallas por flameo

Introducción

En el anterior documento se describió la metodología para el cálculo de fallas relacionadas con el apantallamiento  de la línea. En este, se resume el método de evaluación del número de salidas de la línea causadas  por el fenómeno de flameo inverso.

Este   mecanismo   constituye   el   factor   más   común   de inducción de sobretensiones por causa de descargas atmosféricas incidiendo sobre una línea de transmisión. Al fluir  la  corriente   del  rayo  por  la  torre,  se  tienen  los siguientes efectos:

  • Elevación de  la  tensión  con  respecto  a  tierra  de  la estructura, producida por la descarga de corriente a través de la resistencia de pie de torre.
  • Configuración de un campo magnético variable con el tiempo entre la torre y las fases, causado por la circulación de corriente a través de la estructura.

Los dos efectos  mencionados  anteriormente,  la corriente de descarga por un lado y el campo magnético variable por el  otro,  y  el  hecho   de  que  la  tensión de  las  fases permanece igual a la tensión anterior a la descarga atmosférica, hacen  que  se  desarrollen  tensiones  netas entre la torre y los conductores de fase, proporcionales a la tasa de variación de la corriente  del rayo incidente  y con una forma de onda dependiente de las magnitudes de las dos componentes de tensión.

El método simplificado  de los dos puntos tiene en cuenta los siguientes factores:

  • Las ondas reflejadas desde las torres adyacentes  a la  estructura  sobre  la  cual  (o  muy  cerca)  incidió  ladescarga atmosférica. Estas ondas reflejadas reducen la tensión en la parte superior y por lo tanto la tasa de flameos. En la figura No 5 se presenta la tensión (pu) del aislamiento según la curva tensión vs. tiempo considerando o no, las ondas de tensión reflejadas.
  • La  primera   descarga   del   rayo.   Las   descargas subsiguientes (en el mismo rayo) no se consideran tan severas como la inicial.
  • Las ecuaciones   de  tensión  se  simplifican   por  la selección  de  solo  dos  puntos  de  penetración:  dos  y seis micro segundos (figura No 1).
  • Factor  de   acoplamiento,   Kn.   La   porción   de   la corriente   del  rayo  fluyendo  a  través  del  cable  de guarda  induce  una  tensión  sobre  cada fase, denominada  tensión  de  acople.  La  proporción  de  la tensión total inducida sobre la fase n, a la tensión en la parte  superior  de la torre  se conoce  como  factor  de acoplamiento (Kn) y se calcula con base en las impedancias   de  impulso  propias  de  los  cables  de guarda y de las impedancias  mutuas entre cables de guarda y fases. Entre mayor sea Kn (cable de guarda muy cercano a la fase), menor será la tensión impulso a través del aislamiento de la fase n.
  • Efecto de las tensiones  a baja frecuencia.  Puesto que la presencia  de estas tensiones  puede aumentar el número de salidas observadas,  es necesario incluir su efecto en el cálculo de la corriente  de rayo crítica necesaria para que ocurra flameo, para posteriormente determinar la probabilidad de ser excedida, que conjuntamente  con el número de rayos sobre la línea nos  permitan  obtener  el  número  de  salidas  por  100 Km. por  año,  por  causa  del  mecanismo  de  flameo inverso.

 

Ecuaciones

El valor (Vi)2    obtenido  se multiplica  por un factor igual a 1.8 para obtener la tensión promedio en la parte superior de la torre, requerida para el cálculo del radio corona del cable de guarda. En la figura No 6, podemos observar un ejemplo del efecto de la corriente de cresta de un rayo con varios frentes de onda sobre las tensiones en el aislamiento. La curva voltaje contra tiempo normalizada (generalmente con una forma de onda de 1.2 x 50 microsegundos) se ajusta para tocar la curva C en 1.8 microsegundos  (valor  cresta).  Las  ondas  de tensión  con menores  tiempos  no  tienen  puntos  de  contacto  con  la curva normalizada,  correspondiente  al valor al cual puede presentarse flameo.

Este  valor  de 1.8  microsegundos  (rango  entre  1.8  y 2.0 microsegundos)  se considera puede permitir la simulación de las condiciones de campo (reales) aceptablemente.

En  el  caso  de  tomar  un  valor  de  tiempo  más  pequeño (tiempo de incremento más rápido) que el real, este error se minimizará debido al incremento de la resistencia dieléctrica de la curva tensión-tiempo del aislamiento.

En la figura No 7, tenemos relaciones entre la corriente de rayo  (valor  cresta),  la tasa  de  variación  y  el  tiempo  de cresta de la forma de onda seleccionada (rampa).

3. Comentarios

1. Este método simplificado utiliza el modelo electrogeométrico de Brown y Whitehead, el cual establece:
· Una distancia mínima de choque, S, que determina el punto de incidencia de una descarga atmosférica.
· La magnitud de S, depende de la magnitud de la corriente de rayo.
2. Los resultados obtenidos con este método simplificado y los alcanzados con métodos estocásticos son comparables, siendo la principal ventaja de estosúltimos su flexibilidad, que permite tener en cuenta en el diseño del aislamiento parámetros adicionales relacionados con las características estadísticas y probabilística de las descargas atmosféricas y comparar alternativas con el fin de lograr diseños óptimos.
3. La resistencia de pie de torre, que corresponde a la resistencia de baja frecuencia debe afectarse por un factor de reducción, (ver figura 11, elaborada por A.L. Hileman de la estinghouse AST) con el fin de obtener la resistencia de puesta a tierra reducida al impulso, la cual se asume constante durante la incidencia de cada rayo.

En Colombia y para líneas de transmisión a 230 kV se han tomado valores de puesta a tierra de baja frecuencia entre 20 y 30 ohmios, sin embargo este método permite zonificar la línea con base en sus valores de resistencias de puesta a tierra (si varían mucho), calcular el número de flameos para cada zona y después obtener un valor total para la línea.

4. El método simplificado puede utilizarse para el caso de estructuras en H, para lo cual definimos la impedancia impulso de la torre Zt (ecuación No. 22) como:

Donde:
h: Altura de la estructura
b: Base de la estructura en H, m
2r: Ancho de cada soporte de la H, m

5. La causa más importante en la generación de flameo por descargas atmosféricas es el mecanismo de flameo inverso, particularmente en nuestro país donde tenemos niveles ceráunicos altos.
Si además tenemos en cuenta el efecto del factor de acoplamiento capacitivo, Kn, sobre la magnitud de la tensión inducida a través de la cadena de aisladores por el mecanismo mencionado anteriormente (a mayor Kn corresponde una reducción en la tensión), concluimos que la localización de los cables de guarda en la torre será influenciada enormemente por el comportamiento del aislamiento de la línea al flameo inverso, estableciéndose entonces un compromiso entre el ángulo de apantallamiento (a seleccionar) y el número mínimo de salidas permitido para la línea por descargas atmosféricas (fallas por apantallamiento más fallas por flameo inverso).

6. Por último, cabe anotar, que esta metodología ha sido implementada con base en una realidad diferente a la nuestra (ejemplo: niveles ceráunicos bajos), siendo por lo tanto susceptible de ser mejorada o trascendida según nuestras necesidades y requerimientos. De todas maneras su viabilidad ha sido reconocida por especialistas internacionales en el área del diseño de
aislamiento para líneas de transmisión y su utilización se ha venido incrementando. En Colombia esta metodología ya ha sido aplicada para la selección del aislamiento en algunas líneas del sistema interconectado.