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CÁLCULO DEL NIVEL DE AISLAMIENTO DEL SECCIONADOR DE LÍNEA

PARA LA SUBESTACIÓN LUEPA A 230 KV DE EDELCA

A. Villa

EDELCA

RESUMEN En la región de la Gran Sabana la empresa EDELCA opera una línea de transmisión a 230 kV con una longitud de 215 kms que une las subestaciones terminales Las Claritas y Santa Elena. Para alimentar la carga atribuida al proyecto VENESAT-1 próximo al campamento de EDELCA en Luepa, se optó por utilizar una derivación en “T” (T-Off) de la línea Las Claritas – Santa Elena, a una distancia aproximada de 38 km de la subestación Las Claritas y cuya longitud para conectar la futura subestación Luepa es de aproximadamente 7 kms. En este trabajo se presentan los resultados de la evaluación realizada para determinar el nivel de aislamiento requerido por el seccionador de línea de la subestación Luepa a 230 kV cuando el mismo se encuentra abierto por las labores de mantenimiento de los equipos asociados a esa subestación. Para ello se realizaron simulaciones con el programa ATP para obtener las magnitudes de rayos que pueden ocasionar descargas retroactivas en el tramo de línea que alimenta la subestación Luepa, determinar las magnitudes de las sobretensiones en el seccionador y establecer los criterios que permitirán definir el nivel de aislamiento requerido por el seccionador. Los resultados obtenidos indicaron, al evaluar la probabilidad conjunta de que el seccionador se encuentre abierto y ocurran descargas retroactivas en la derivación en “T” de la línea, que el seccionador de la subestación Luepa puede experimentar una falla cada 1.879 años para la condición más desfavorable de las evaluadas considerando un nivel ceráunico en la región de 120 días de tormenta al año, lo cual excede ampliamente la tasa de falla establecida para el diseño de las subestaciones de EDELCA, de una falla cada 100 años como mínimo. PALABRAS CLAVE ATP, Líneas, Descargas atmosféricas, Nivel Ceráunico, Sobretensión, Tasa de Falla

Comité Nacional Venezolano

II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA

Junio 2009

C4 – 197

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INTRODUCCIÓN En la región de la Gran Sabana la empresa EDELCA opera una línea de transmisión a 230 kV que une las subestaciones terminales Las Claritas y Santa Elena, recorriendo una distancia de 215 kms aproximadamente. Para alimentar la carga atribuida al proyecto VENESAT-1 próximo al campamento de EDELCA en Luepa, se optó por utilizar una derivación en “T” (T-Off) de la línea Las Claritas – Santa Elena, a una distancia aproximada de 38 km de la subestación Las Claritas y cuya longitud para conectar la futura subestación Luepa es de aproximadamente 7 km, según se muestra en la Figura 1.

Fig. 1. Diagrama esquemático de la alimentación a la subestación Luepa a 230 kV

En este trabajo se presentan los resultados de la evaluación realizada para determinar el nivel de aislamiento requerido por el seccionador de línea de la subestación Luepa a 230 kV cuando el mismo se encuentra abierto por labores de mantenimiento en los equipos asociados a dicha subestación. Para ello, se realizaron simulaciones para obtener las magnitudes de rayos que pueden ocasionar descargas retroactivas en el tramo de línea que alimenta la subestación Luepa, determinar las magnitudes de las sobretensiones en el seccionador y establecer los criterios que permitirán definir el nivel de aislamiento requerido por el seccionador. En el tramo de la línea en estudio, se consideró nula la tasa de salida por fallas de apantallamiento, dado que la línea se diseñó con apantallamiento efectivo. 2. METODOLOGIA Para lograr el objetivo propuesto se empleó la siguiente metodología: - Se representó el tramo de línea en derivación que conecta la subestación Luepa a la línea Las Claritas –

Santa Elena a 230 kV, a través de modelos matemáticos para líneas de transmisión, resistencias de puesta a tierra, tensión de ruptura de la cadena de aisladores, descargas atmosféricas, fuentes, etc.

- Se determinaron con simulaciones del ATP, las magnitudes de corrientes de rayos (Irayo) que producen descargas retroactivas en al menos una de las fases de la línea para puestas a tierra en las torres de 10 Ohmios [1] y torres con alturas máximas o mínimas en ese tramo de línea a la subestación Luepa. Los rayos utilizados tienen magnitudes de corrientes de 20 a 300 kA pico y polaridad opuesta a la máxima tensión de operación de una de las fases de la línea o condición de fase dominante. Para simplificar este

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análisis, sólo se permitirá la ruptura dieléctrica en la torre impactada por el rayo o cuando la tensión en la torre supere la capacidad de ruptura dieléctrica de la cadena de aisladores.

- Con las magnitudes de rayos obtenidas en el punto anterior, se determinaron las sobretensiones en el seccionador de la subestación Luepa cuando se encuentra abierto por labores de mantenimiento de los equipos asociados a la subestación y el rayo impacta una de las diferentes torres del tramo de línea en derivación, considerando que ese tramo de 7 km esta construido con torres de altura máxima o mínima y sus correspondientes vanos largos o cortos. Estas sobretensiones se compararon con el nivel de aislamiento (BIL = 1050 kV pico) usualmente utilizado por EDELCA en estos equipos a 230 kV.

- Finalmente, se calculó la tasa de falla anual del seccionador y el tiempo medio entre fallas cuando éste se encuentra abierto por labores de mantenimiento de los equipos asociados a la subestación Luepa y de esta manera se verificó el nivel de aislamiento requerido por el seccionador.

3. MODELO MATEMATICO EMPLEADO EN LAS SIMULACIONES A continuación se describen, los modelos y consideraciones empleadas, para representar los equipos asociados a la línea en estudio y cuyo diagrama esquemático se muestra en la Figura 2.

Fig. 2. Diagrama esquemático utilizado para evaluar el tramo de línea a la subestación Luepa a 230 kV

con el ATP

Los vanos del tramo de la línea de transmisión a 230 kV desde la derivación a la subestación Luepa, se representaron con el modelo de parámetros distribuidos (R, L y C) no balanceado e independiente de la frecuencia y cuyos valores de resistencia, inductancia y capacitancia se calcularon para una frecuencia de 500 kHz. En los vanos se utilizaron dos longitudes diferentes dependiendo de la altura de la torre a emplear en dicho tramo, para torre de altura mínima, el vano es de 264 metros y para torres de altura máxima, el vano es de 505 metros. El seccionador de la subestación Luepa se representó como una capacitancia de 75 pF conectada al final de la línea. Las descargas atmosféricas se representaron con una fuente de corriente tipo doble rampa cuya magnitud pico se alcanza en un tiempo de cresta para luego caer al 50% de esa magnitud en un tiempo de cola de 50 μs. La tensión de ruptura dieléctrica de la cadena de aisladores, se consideró a través de un interruptor controlado por tensión, que cierra sus contactos cuando la diferencia de potencial como consecuencia de la descarga atmosférica en la torre y el conductor de fase supera la tensión de ruptura. Esta tensión se obtuvo a través de la siguiente ecuación [2]:

Tr = Lc * [0,4 + (0,71 / t 0,75)] (1) donde: Tr = Tensión de ruptura dieléctrica de la cadena de aisladores, (MV). Lc = Longitud de la cadena de aisladores, (m). t = Tiempo de cresta de la onda de tensión, (μs).

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Las torres empleadas en el tramo de la línea a 230 kV se representaron por medio de líneas de transmisión, con impedancias calculadas de la geometría de sus partes, en serie con su resistencia de puesta a tierra. El tiempo de propagación en la torre, se estableció en 210 m/μs por propagarse en un medio distinto al vacío. En la Figura 3 se muestra la torre y su modelo y se indica con cual ecuación (cono o cilindro) se calculó la impedancia de sus partes.

Fig. 3.Dimensiones de torres para el tramo de línea a la subestación Luepa a 230 kV y modelo equivalente

4. CALCULO DE CORRIENTES DE RAYO PARA PRODUCIR DESCARGAS

RETROACTIVAS EN TRAMO DE LINEA A LA SUBESTACIÓN LUEPA A 230 KV En general, las líneas de transmisión poseen características diferentes (tipo de torres, alturas, longitud de vanos, resistencia de puesta a tierra, etc.) a lo largo de su ruta y para evaluar la magnitud de la corriente de rayo capaz de producir descargas retroactivas, es conveniente emplear valores promedio de dichas características a fin de facilitar los cálculos respectivos. Sin embargo, en este trabajo se utilizará en el tramo de línea a la subestación Luepa, dos (2) tipos de alturas para las torres y vanos asociados, una máxima y otra mínima, para obtener la corriente de rayo que puede ocasionar descargas retroactivas en dichos tramos. Este cálculo consistirá en determinar a través de simulaciones con el ATP, las magnitudes de corrientes de rayos (Irayo) que producen descargas retroactivas en al menos una de las fases de la línea para puestas a tierra en las torres de 10 Ohmios. Las magnitudes de corrientes de los rayos se varían desde 20 a 300 kA pico y estas ocasionan que la tensión en la torre producto de la descarga atmosférica, cause la ruptura dieléctrica del aislamiento de la cadena de aisladores. 4.1 Corriente de rayo para producir descargas retroactivas en tramo de línea con torres de

altura y vano mínimos Los resultados de este caso indicaron que la magnitud mínima de rayo requerida para causar descarga retroactiva en el aislamiento de la línea es de 266 kA pico, al estar construido dicho tramo de línea con torres de 30,8 m de altura y vanos de 264 metros. Estos rayos tienen una probabilidad de ocurrencia de 0,373% [2].

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4.2 Corriente de rayo para producir descargas retroactivas en tramo de línea con torres de altura y vano máximos

En este caso los resultados indicaron que la magnitud mínima de rayo requerida para causar descarga retroactiva en el aislamiento de la línea es de 125 kA pico, al estar construido dicho tramo de línea con torres de 47,4 m de altura y vanos de 505 metros. Estos rayos poseen una probabilidad de ocurrencia de 2,595% [2].

5. CALCULO DE SOBRETENSIONES EN SECCIONADOR DE LINEA DE

SUBESTACIÓN LUEPA A 230 KV Este cálculo consistirá en determinar a través de simulaciones con el ATP, las magnitudes de las sobretensiones en el seccionador de la subestación Luepa cuando se encuentra abierto por mantenimiento de los equipos asociados a la subestación y un rayo impacta una de las diferentes torres del tramo de línea de 7 km. La torre impactada por el rayo puede ser la más cercana al seccionador o la ubicada en la mitad o al final del tramo. Las magnitudes del rayo a utilizar se determinaron en el punto anterior para torres altas y bajas. Finalmente, las magnitudes de las sobretensiones obtenidas en las simulaciones, se compararan con el Nivel básico de Aislamiento contra Sobretensiones Atmosféricas (BIL = 1.050 kV pico) usualmente utilizado en EDELCA para seccionadores a 230 kV.

Tabla I

Sobretensiones en seccionador de subestación Luepa a 230 kV por descargas retroactivas por rayos que impactan el tramo de línea de 7 km

Caso Distancia del impacto del

rayo al seccionador (km)

Corriente del rayo

(kA pico)

Sobretensión en seccionador (kV pico)

1 0,505 125 2.098

2 0,264 266 2.730

3 4,8 125 1.610

4 4,8 266 1.760

5 7,0 125 1.446

6 7,0 266 1.720 5.1 Análisis de resultados de las sobretensiones en el seccionador de línea por descargas

retroactivas producidas por rayos En la Tabla I se puede observar que la mayor sobretensión en el seccionador es de 2.730 kV pico cuando un rayo de 266 kA pico impacta la primera torre o la ubicada a un vano del equipo. Esta sobretensión se reducirá a un valor de 1.720 kV pico para los rayos que impacten torres ubicadas a distancias mayores (4,8 a 7 kms) del seccionador. Un comportamiento similar se puede apreciar para los rayos de 125 kA pico. Las sobretensiones anteriores, exceden el nivel de aislamiento contra sobretensiones atmosféricas (BIL = 1.050 kV pico) para seccionadores a 230 kV y la mismas no pueden ser reducidas a valores aceptables sin la instalación de pararrayos en la llegada de línea. Sin embargo, estas sobretensiones aparecen únicamente cuando el seccionador se encuentra abierto o se ésta realizando mantenimiento en los equipos de la subestación Luepa. La probabilidad de ocurrencia de estos eventos simultáneos (impacto del rayo en una torre, magnitud adecuada para producir la descarga retroactiva y adicionalmente encontrar el seccionador abierto), es muy baja, además que una norma del mantenimiento, es no efectuarlo en tiempos de tormenta.

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En la Figura 4, se muestran las formas de onda y las magnitudes de las sobretensiones en la torre impactada, la tensión en el conductor de fase y la tensión en el seccionador de línea cuando un rayo de 266 kA pico impacta la torre ubicada a 264 metros del seccionador de la subestación Luepa a 230 kV.

Fig. 4. Sobretensiones en torre, conductor de fase y seccionador de línea, producida por rayo de

266 kA pico que impacta la torre ubicada a 264 metros de S/E Luepa a 230 kV

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6. CALCULO DE LA TASA DE FALLA DEL SECCIONADOR DE LINEA DE SUBESTACIÓN LUEPA A 230 KV

A continuación se determinará la tasa de falla del seccionador de la subestación Luepa para los diferentes valores de corriente de rayo obtenidos a través de las simulaciones, cuando el rayo impacta algunas de las torres (altas o bajas) del tramo de línea de 7 km y el seccionador se encuentra abierto. En este punto se considerará que la zona de Luepa tiene 120 días de tormenta al año y se asume de manera pesimista que el seccionador permanece un total de 16 horas abierto por mantenimiento de los equipos de la subestación Luepa a 230 kV.

6.1 Cálculo de tasa de fallas del seccionador por descargas retroactivas: En las fallas del aislamiento por descarga retroactiva, se asume que la mayor cantidad de rayos (60% de total interceptado) impacta las torres por su mayor altura en comparación con los conductores de guarda a mitad del vano y se utiliza la siguiente ecuación [1], [2] para calcular la tasa de salida de la línea que al multiplicarla por la probabilidad de estar abierto el seccionador por mantenimiento, dará por resultado la tasa de falla del seccionador por descargas retroactivas:

Ndr = (72.10-6)(b + 4 h1,09)NiPiPsL (2)

Donde: b = Separación entre conductores de guarda, (m) h = Altura del conductor de guarda, (m). Pi = Probabilidad acumulada del rayo (P(Irayo)). Ps = Probabilidad del seccionador abierto por mantenimiento. L = Longitud de la línea o del tramo, (km). Ndr = Tasa de falla del seccionador de la subestación Luepa por año. En la Tabla II, se resume la tasa de falla del seccionador de la subestación Luepa cuando se encuentra abierto y el tramo de línea es impactado por rayos de diferente magnitud. En esta tabla se puede apreciar que el seccionador experimentaría una falla cada 1.879 años para la condición más desfavorable, lo cual excede la tasa de falla de la subestación establecida en una falla cada 100 años como mínimo. En consecuencia se considera adecuado emplear un seccionador a 230 kV con un BIL de 1.050 kV pico.

Tabla II Tasa de falla del seccionador de subestación Luepa a 230 kV

por rayos que impactan el tramo de línea de 7 km

Parámetros Caso 1 Caso 2

Altura promedio conductor de guarda (m) 33,1 25,3

Zona de atracción de la línea (m) 185,6 139,6

Longitud del tramo de línea (km) 7,0 7,0

Corriente del rayo (kA pico) 125 266

Probabilidad de la corriente del rayo 0,02595106 0,00372586

Probabilidad del seccionador abierto 0,00182648 0,00182648

Tasa de falla del seccionador (fallas/año) 5,32102e-04 5,74364e-5

Tiempo medio entre fallas del seccionador (años) 1.879 17.411

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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES - Los rayos con magnitudes iguales o mayores a 266 kA pico, pueden causar descarga retroactivas en el

tramo de línea que llega a la subestación Luepa a 230 kV, si en el mismo se emplean torres con alturas de 30,8 m, vanos de 264 metros y resistencias de puesta a tierra de 10 Ohmios. En el caso de utilizar en dicho tramo, torres de 47,4 m de altura con vanos de 505 metros, la magnitud de rayo requerida es de 125 kA pico.

- Las magnitudes de rayos indicadas anteriormente, pueden causar sobretensiones de 2.730 a 1.446 kV pico en el seccionador cuando se encuentra abierto y el rayo impacta la primera torre u otra ubicada en el tramo de línea a la subestación Luepa, por cuanto no se tiene prevista la instalación de pararrayos en la entrada de línea en dicha subestación. En consecuencia de lo anterior y considerando un seccionador de 230 kV (Bil = 1.050 kV pico), se tiene que el aislamiento del equipo fallará al encontrarse abierto y ocurran descargas retroactivas en el tramo de línea en “T” que llega a la subestación Luepa a 230 kV.

- Al evaluar la probabilidad conjunta de que el seccionador se encuentre abierto y en la derivación en “T” ocurran descargas retroactivas, se encuentra que el seccionador de la subestación Luepa puede experimentar una falla cada 1.879 años para la condición más desfavorable de las evaluadas considerando un nivel ceráunico en la región de 120 días de tormenta al año, lo cual excede ampliamente la tasa de falla establecida para el diseño de las subestaciones de EDELCA, de una falla cada 100 años como mínimo. En consecuencia, se considera apropiado emplear un seccionador a 230 kV con un BIL de 1.050 kV pico en la entrada de la línea de la subestación Luepa.

- Adicionalmente y para reducir aún más la probabilidad de falla del seccionador y maximizar la seguridad del personal, se recomienda que las labores de mantenimiento de los equipos de la subestación Luepa a 230 kV, se realicen fuera de la temporada de tormentas en la zona.

BIBLIOGRAFÍA [1] A. Villa, G. Carrasco, “Cálculo de la tasa de salida forzada por descargas atmosféricas de la línea Las

Claritas – Santa Elena a 230 kV de EDELCA”, CE-33, X Encuentro Regional Latinoamericano de la CIGRE (X ERLAC), Argentina, Mayo 2003.

[2] “Transmission Line Reference Book 345 kV and Above”, Electric Power Research Institute (EPRI), Second Edition Revised, 2001.