puesta a tierra

2. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE ELÉCTRICA
DEPARTAMENTO DE POTENCIA
Br: Ramón José Araujo Briceño
Tutor Académico: Prof. Ricardo StephensL.
Tutor Industrial: Ing. Alcides Anselmi
Mérida, Febrero 2005
ESTUDIO Y DESARROLLO DE UN
SISTEMA QUE CONTRIBUYE EN LA
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
PARA CIRCUITOS DE 34.5 KV, DE LA
EMPRESA CADELA

3. Introducción
Las disposiciones y precauciones, que se
consideran en el diseño y mantenimiento de las
instalaciones para evitar que el aislamiento sufra daños
por efecto de las sobretensiones y a fin de mantener la
continuidad del servicio eléctrico de la línea forma parte
de la Coordinación de Aislamientos. Este trabajo, en tal
sentido considera los distintos tipos de esfuerzos
dieléctricos que se presentan principalmente por
descargas atmosféricas directas a través de la línea.
El propósito de esta investigación consistió en
elaborar un algoritmo que implementado bajo una
rutina (programa), permitirá la determinación de un
descargador para un punto previamente establecido en
las líneas de subtransmisión de 34.5 KV. Así como el
diseño de puestas a tierra de los apoyos donde serán
instalado dichos dispositivos.

4. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Los circuitos de 34.5 KV: Trujillo – Los Silos y
Valera II - Timotes, presenta múltiples inconvenientes,
debido a la frecuentes salida de los mismos, dejando
sectores importantes sin el suministro de energía
eléctrica, ocasionando malestar en los subscriptores y
perdidas a la empresa.
Los circuitos mencionados presentan problemas en
la coordinación de aislamiento, ya que la mayoría de
las fallas se deben al deterioro de los mismos por las
altas temperaturas que se generan al ocurrir el
contorneo en el aislamiento como consecuencia de las
descargas atmosféricas.

5. Inspección y Cambio de Aislamientos Dañados
en la Línea Trujillo – Los Silos de 34.5 KV
Total de Aislamientos Dañados para
el Periodo 2002 y 2004
Año 2002 Año 2003
29 55

6. Objetivos
Objetivo General
Realizar un estudio de los circuitos
involucrados, para proponer soluciones e impedir el
daño de los aislantes y de dispositivos de protección
contra tensiones transitorias o descargas
atmosféricas. Y con ello poder determinar un
procedimiento, que se puedan implementar con una
rutina (Programa) que permita dar mayor
confiabilidad de servicio y disminuir las fallas por
descargas atmosféricas.

7. Objetivos Específicos
 Estudiar los sistemas de puesta a tierra
involucrados.
 Realizar un diagnostico de los sistemas estudiados,
para identificarlos factores o variables que
intervienen en la salida del circuito.
 El programa debe considerar la capacidad que
soportara los distintos materiales dieléctricos, en
función de las tensiones que pueden aparecer en
las redes, considerando también las características
de los dispositivos de protección disponibles.

8. SOBRETENSIÓNES
Se le denomina sobretensión a todo aumento de
tensión capaz de poner en peligro los componentes y
la continuidad de servicio de una instalación eléctrica.
Tipos de Sobretensiones
Sobretensiones Internas
Sobretensiones Externas

9. Sobretensines Internas
Son oscilaciones causadas por la energía de los
campos magnéticos y eléctricos originados en un arco
intermitente, que es producido al variar las condiciones
propias de servicio de la instalación. Que no solo se
producen por contorneo en aisladores sino también por
los interruptores cuando se desconectan circuitos.
Estas oscilaciones también consideran la de
intensidad de corriente, las variaciones de carga, las
descargas a tierra, entre otros. En todos estos procesos,
se pueden descargar tensiones perjudiciales, por la
energía acumulada en los distintos elementos inductivos
y capacitivos de los circuitos que comprende una
instalación.

10. Sobre tensiones de Origen Externo
Este tipo de sobretensión es la que penetran en
líneas de transmisión aéreas desde la atmósfera, por
descarga directa de un rayo sobre las mismas o por
influencia electroestática o inducción.
Son las Sobretensiones más peligrosas al aislamiento
por ser mucho más altas. Pues, estas pueden producir
tensiones del orden de 1.000.KV hasta 10.000.KV y
corrientes del orden de 100.KA hasta 1.000.KA, Estas
corrientes son impulsos de muy breve duración que
pueden representarse mediante ondas aperiódicas que se
desarrollan en intervalos de 5 hasta 100 µs.

12. Aisladores
Los aisladores son los que cumplen la función de
sujetar mecánicamente el conductor manteniéndolo
aislado de tierra, es decir de otros conductores o bien
entre conductor y torre, soportando la tensión en
condiciones normales y anormales, y sobretensiones
hasta las máximas previstas (por el estudios de
coordinación del aislamiento). Además deben soportar la
carga mecánica que el conductor transmite a la torre a
través de ellos.

13. Descargadores
Los descargadores son dispositivos destinados a
proteger el material eléctrico contra las sobretensiones
transitorias elevadas, drenándolas y limitando su
duración, y eventualmente la amplitud de la corriente
subsiguiente. Se tienen descargadores de resistencia
variable, no lineal y descargadores a expulsión, y en la
actualidad los descargadores de óxido de zinc son los
más modernos y más utilizados.
Tipos de Descargadores
 Autovalvulares
 No Autovalvulares

14. Descargadores No Vasculares o Descargadores de
Oxido de Zinc
Poseen un número de discos en serie o varistores
de oxido de zinc sin explosores, encapsulado en
porcelana o de un bloque de resina epóxi-fibra de vidrio,
al que se le ha extraído el aire. Son permanentemente
conductivos, pues bajo la tensión red se drena a tierra
corrientes muy pequeñas de goteo generalmente
menor a 10 mA que corresponde a la corriente de fuga.

15. Las principales características principales
de protección del descargador son:
 Tensión de descarga
 Corriente de descarga
Características de los Descargadores de Oxido de
Zinc

16. Medición de la Resistividad con Método Wenner
Es el método más difundido para medir la resistividad del
subsuelo, donde los electrodos de inyección de corriente y de
medición de potencial se colocan alineados y equidistantes. Los
electrodos de potencial (P1 y P2) en el interior se separan a
una distancia (a), y en el exterior los de inyección de corriente
(C1 y C2) separados una distancia 3a entre ellos, deben ser
clavados en el suelo a una profundidad de b = a / 20 con la
finalidad de no introducir errores.

17. Método Simplificado con Tres Electrodos ó 61.8 %
o mínima pendiente
Bajo el mismo principio de medición de resistividad que consiste
en inyectar una corriente al terreno y tomar la lectura de la caída de
tensión en un extremo del tramo interno, Pero utilizando solo tres
electrodos colocando un electrodo piloto (Puesta a tierra en cuestión) a
los bornes (C1 y P1) del aparato quedando estos en corto, mientras
que el electrodo C2 queda al extremo al cual se le debe dotar de la
mínima resistencia de contacto con el suelo, esto se podría lograr
humedeciendo el lugar donde es clavado, quedando el electrodo de
potencial P2 alineado entre el electrodo piloto y C2. Donde P2 y C2
pueden ser clavados a 0.25m de profundidad. Este método nos permite
verificar la resistencia que ofrece una determinada puesta a tierra a un
sistema, es de notar que en este método obtiene el valor de la
resistencia cuado la separación entre el electrodo piloto (C1 unido con
P1) y P2 es de 61.8 % de la separación de electrodo piloto (C1 unido
con P1) hasta C2

18. Ecuaciones para el Cálculo de Puesta a Tierra
Una Barra Vertical
Dos Barras Verticales
R .
e
.
.
2  L
ln
.
4 L
a
1
...(3.6.1.1.1)
R .
e
.
.
2  L
ln
.
2 L
.
a S ...( 3.6.1.2.1)
R .
e
.
.
2  L
ln
.
2 L
.
.
3 S a
...( 3.6.1.3.1)
Tres Barras Verticales en Triangulo
Cuatro Barras Verticales en Cuadro
R .
e
.
.
2  L
ln
.
2 L
.
4 .
.
2 a S
3
...( 3.6.1.4.1)
R .
e
.
.
2  L
ln
.
4 L
2
.
d h
1.3
...( 3.6.1.5.1)
Una Barra Horizontal
Conductores Horizontales
R .
e
.
 L
ln
.
2 L
d
...( 3.6.2.2.1)

19. Anillo
R .
e
.
.
2 
2
D
ln .
8
D
d
ln .
2
D
h ...( 3.6.2.3.1)
Resistencia Equivalente en
Puestas a Tierra
...(3.7.1)

20. Selección del Descargador
1. Máximo voltaje de operación del sistema.
2. Condiciones en que se conecta el sistema a tierra.
Consideraciones
a) Para los circuitos de tres-conductores, las condiciones
dependen si el sistema es sólidamente conectado a tierra,
a través del neutro y la impedancia de la fuente
transformadores.
b) Las posibles corrientes de falla.
d) La sobretensión línea-a-tierra máxima, tiempo de duración,
durante las condiciones de la falla
e) Los Detalles del aislamiento de la línea, incluso el tensión
de descarga a baja frecuencia en humedad, teniendo en
cuenta los flashover que ocurren sobre los aisladores.
g) La conexión de la torre a tierra, resistencia.

21. Localización de los Descargadores
 La IEEE std C62.22-1997 recomienda la mínima
separación posible en líneas que no cuenten con cable
de guarda.
 Según PEXLIM se pueden localizar descargadores en
uno o más puntos a lo largo de la línea en puntos medio
o 1/3 y 2/3 de la longitud de la línea esto hace que
disminuyan las sobretensiones de la onda por descargas
atmosféricas.

23. Determinación del Coeficiente de Aterramiento
En el apoyo donde se ubicarán dichos dispositivos
se calcularan los posibles incrementos de tensión en las
fases sanas (fases donde no ocurre el corto) cuando se
ocurra una falla línea – tierra en un punto intermedio de
la línea. Estas tensiones de fase dividida ente la tensión
de nominal de la línea nos dará el coeficiente de
aterramiento, valor que determinara el MCOV.
Se hace la consideración del terreno como un medio
homogéneo, semiinfinito, de resistividad y
permeabilidad magnética igual al espacio libre, el
medio donde se encuentra el conductor como un medio
dieléctrico de conductividad nula y permeabilidad
magnética igual a la del espacio libre.
Cálculo de las impedancias de secuencia para la línea
de transmisión

24. Para la diagonal principal de la matriz de la
impedancia se tiene:
Zii .
rii 1000 rt .
.
.
0.754 10
4
ln .
658.88
RMG

f
1000i
Zij rt .
.
.
0.754 10
4
ln .
658.88
dij

f
1000i
(4.4.1.2)
(4.4.1.1)
Para el resto de los elementos de la matriz
Matriz Impedancia de Secuencia

25. Circuito de la Línea de Transmisión
Secuencia Positiva y Negativa
Zl + = Zl - = (Zp – Zm).L
Secuencia Cero
...(4.4.1.5)
Zlo = (Zp + 2 * Zm)*L
...(4.4.1.6)

26. Transformador conectado en con conexión
Ynyn o Dyn
Circuito Equivalente de Secuencia positiva, Negativa y Cero para un
Transformador con conexión Ynyn o Dyn
ifao
Vfa
.
2 Zth Ztho .
3 Zt .
2 Zl Zlo .
3 ( )
Rs Rp
...(4.4.2.1)
ifao
Vfa
.
2 Zth .
3 Zt .
2 Zl Zlo .
3 ( )
Rs Rp
...(4.4.2.2)

27. Tensión en las Fases Sanas
Vb
.
Vf .
a
2
( )
( )
Zthp Zthn Zthc .
2 Zl .
3 Zt Zlo .
.
3 ( )
Rs Rp a
2
1 .
3 Zm
Zthc Zthp Zthn .
2 Zl .
3 Zt Zlo .
3 ( )
Rs Rp
...(4.4.2.5)
Vc
.
Vf ( )
.
a ( )
Zthp Zthn Zthc .
2 Zl .
3 Zt Zlo .
.
3 ( )
Rs Rp ( )
a 1 .
3 Zm
Zthc Zthp Zthn .
2 Zl .
3 Zt Zlo .
3 ( )
Rs Rp
...(4.4.2.7)
m1 = Vb / Vn línea
m2 = Vc / Vn línea
...(4.4.3.1)
...(4.4.3.2)
Coeficiente de aterramiento
MCOV = V línea sana . m
MÁXIMO VOLTAJE DE OPERACIÓN CONTINIA DEL
DESCARGADOR (MCOV)

28. Nivel básico de aislamiento
Donde:
NBI : Nivel básico de aislamiento
VCF: Voltaje critico de descarga
Impedancia Característica de la Línea
NBI = 0.961* VCF
...( 4.6.1)
Zo
L
C
Donde:
L : Inductacia de la Línea [H/m ]
C: La capacitacia C [F/m]
...(4.6.6)

29. Corriente Mínima de Descarga
Donde:
Id: Corriente de descarga [KA]
NBI: Nivel Básico de Aislamiento [KV]
Zo: Impedancia Característica de la Línea [Ohm]
K : Es un factor de atenuación, al que se les da valores que varia
desde 1, 2, 3.
Haciendo una consideración conservadora asumí el factor K = 2
Id .
K
.
2 NBI
Zo ...(4.6.2)

30. Margen de Protección
...(4.6.1.1) ...(4.6.1.2)

32. Algoritmo del Programa Selección del Descargador

33. GraMax

35. PT&SD

36. El procedimiento utilizado para definir el descargador de
la línea consiste en determinar el coeficiente de
aterramiento de la línea en el punto donde se fijara el
dispositivo. Para ello se hace uso de algunos datos de la
línea como la resistencia y resistividad del terreno.
También se hace la consideración del VCF del
aislamiento de la línea para garantizar un margen de
protección lo que permite preservar la vida útil de los
aislamientos; y en tal sentido realizar la Coordinación de
Aislamientos en la línea.
Conclusiones