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11 de DISTANCIAS DIELECTRICAS EN AIRE (FLAMEO)

diciembre de 2010

CRITERIOS PARA LA DETERMINACION DE LAS DISTANCIAS DIELECTRICAS EN AIRE Las distancias en aire de fase a tierra o de fase a fase, deben garantizar estadísticamente una probabilidad de flameo tal que resulte baja desde el punto de vista de los criterios adoptados. Esto implica el concepto de distancias mínimas de flameo entre fase y tierra y entre fase y fase, y se determina por los impulsos por rayo o por maniobra según los niveles de aislamiento. El concepto de distancia dieléctrica en aire, parte de la relación entre tensión critica de flameo por rayo

(VCF) o por

maniobra

(VCS) y el nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI) o por maniobra (NBS). La tensión critica de flameo, es el valor de tensión al cual se tiene una probabilidad de flameo del 50% y los valores usados para diseño corresponden a los niveles básicos de aislamiento (por impulso al rayo a de maniobra) que son cantidades inferiores al VCF o al VCS y que darían probabilidades de flameo máximo al 10%. Esto quiere decir, que se espera que no se produzca flameo por lo

Francisco J. Naveira C.

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menos en un 90% de las veces. La relación entre los niveles básicos de aislamiento al impulso y las tensiones críticas de flameo se indican a continuación: 1. Por impulso al rayo (

)

Donde es la desviación estándar referida al valor de VCF, se recomienda un valor de con lo que se obtiene:

2. Por impulso de Maniobra (

)

Donde es la desviación estándar referida al valor de VCF, se recomienda un valor de con lo que se obtiene:

Nota: hasta 230 kV las distancias dieléctricas de fase a tierra y para 1000 msnm en condiciones estándar de calcula el efecto al impulso únicamente por rayo. TENSIONES NOMINALES INFERIORES A 230 kV

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Las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 msnm y en condiciones estándar se calculan por efecto de impulso al rayo (

)

Donde d es la distancia entre electrodos expresada en m K3 = es el factor de los electrodos (factor del gap) (ver tablas anexas para valores que toma K3). Ver tabla No 01 EJEMPLO I Calcular las distancias de fase a tierra para líneas de transmisión, que presenten

las siguientes

configuraciones: a. Conductor estructura b. Conductor ventana c. Conductor objeto a tierra d. Punta plano Para las tensiones nominales de: 34,5 – 69 – 115 – 139 – 161 y 230 kV hasta 1000 msnm Francisco J. Naveira C.

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y condiciones estándar.

Tensión Nominal kV (eficaz) NBI (kV) VCF= NBI/0,961(kV) Configuración de electrodos

34,5

69

115

139

161

230

200

350

550

650

750

1050

208,12

364,20

572,32

676,38

780,44

1092,61

Distancia (d) de fase a tierra (m)

d=VCF/k3

Conductor Estructura

0,38

0,66

1,04

1,23

1,42

1,99

conductor ventana

0,38

0,66

1,04

1,23

1,42

1,99

conductor objeto

0,38

0,66

1,04

1,23

1,42

1,99

punta plano

0,43

0,76

1,19

1,41

1,63

2,28

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TENSIONES NOMINALES SUPERIORES A 230 kV Las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 msnm y en condiciones estándar se calculan básicamente por efecto de impulso de maniobra de acuerdo a la expresión desarrollada por L Paris, R. Cortina, en IEEE Transaction o Power Apparatus and Systems. Pas 87 No. 4 pp 947-957: (

)

*

+

Donde d es la distancia entre electrodos expresada en m K2 = es el factor de los electrodos (factor del gap) para sobre voltajes por maniobra (ver tabla anexa No 01 para valores que toma K2). Por ser estas ecuaciones empíricas, la Electricite de France, también tiene sus ecuaciones a saber:

(

)

EJEMPLO II

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Calcular la distancia de fase a tierra en un sistema de 400 kV para las configuraciones de: a. Conductor ventana b. Conductor estructura Para una altura hasta 1000 msnm Solución Un sistema de 400 kV, la tensión máxima de diseño es: Vmaxd= 1,05 x 400 kV = 420 kV y se puede tomar el valor básico de aislamiento de 1050 kV La distancia de fase a tierra se calcula como:

Donde

VCS

Para la configuración conductor ventana de la tabla No. 01 k2=1,2, por lo tanto:

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Para la configuración conductor estructura de la tabla grafica k2=1,25, por lo tanto:

Realizando el mismo calculo, pero ahora con las ecuaciones de L. Paris, se tiene: (

)

Despejando d, se tiene: (

)

Para la configuración conductor ventana de la tabla No. 01 k2=1,2, por lo tanto: Remplazando valores se tiene: (

)

Para la configuración conductor estructura

de la tabla No. 01,

K2=1,25, por lo tanto: (

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)

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DETERMINACION DE LAS DISTANCIAS MÍNIMAS DE FASE A FASE Se realiza un procedimiento semejante al indicado anteriormente, para el cálculo de las distancias de fase a tierra por impulso por rayos o impulsos de maniobra, estas distancias se calculan para una altitud de hasta 1000 msnm, de acuerdo con las siguientes expresiones:  Por impulso por rayos para tensiones hasta 230 kV.

Donde VCF es la tensión critica de flameo de fase a fase expresada en kV d es la distancia entre fases, expresada en mts. El valor de VCF se obtiene de la expresión:

 Por impulso por maniobra para tensiones superiores a 230 kV.

(1)

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(2) Donde VCS se expresa en MV. Notas.  Las distancias obtenidas con las expresiones (1) y (2) se pueden considerar de diseño en el caso de subestaciones eléctricas que usen barras.  La expresión (1) se emplea para configuraciones simétricas entre electrodos por ejemplo conductor a conductor en paralelo, conductor a conductor cruzadas, punta a punta.  La expresión (2) se emplea para configuraciones asimétricas entre electrodos por ejemplo: punta conductor, o bien en configuraciones simétricas cuando la simetría se neutraliza por efecto de irregularidades de los electrodos como es el caso de las barras soportadas de aisladores con herrajes. EJEMPLO III Determinar las distancias mínimas de no flameo de fase a fase para una configuración conductor-conductor (bus rígido)

en paralelo

para las siguientes tensiones: 4,4-6,9-13,8-24-34,5-69-115 kV, para

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una altitud de hasta 1000 msnm. Solución Tensión Tensión

Max

Nominal Diseño

NBI

VCF

d(f-f)

f-f

f-f

m

4,40

4,62

60

62,43

0,12

6,90

7,25

75

78,04

0,15

13,80

14,49

95

98,86

0,19

24,00

25,20

150

156,09

0,30

34,50

36,23

200

208,12

0,40

69,00

72,45

350

364,20

0,70

115,00

120,75

550

572,32

1,10

EJEMPLO IV Determinar las distancias mínimas de no flameo de fase a fase para una configuración:  Conductor –conductor  Punta –conductor

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En un sistema de 400 kV, para una altitud de hasta 1000 msnm. Solución a) Para la configuración conductor-conductor

Para 400 kV la tensión máxima es 420 kV y el nivel básico para maniobra de fase a fase es 1550 kV. Entonces:

Entonces la distancia mínima de no flameo de fase a fase, será: (

)

= 4,13 mts

b) Para la configuración punta -conductor

Para 400 kV la tensión máxima es 420 kV y el nivel básico para maniobra de fase a fase es 1550 kV. Entonces:

Entonces la distancia mínima de no flameo de fase a fase, será: ( Francisco J. Naveira C.

)

= 4,84 mts

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EFECTOS METEOROLOGICOS Los aislamientos externos (auto-recuperables) se ven afectados por los efectos meteorológicos con son la presión barométrica, temperatura y humedad, de tal forma que la tensión critica de flameo en condiciones estándar se modifica con la siguiente expresión:

Para pruebas en laboratorio instalados a una altura superior a 1000 msnm. Dónde: Kh = factor de corrección por humedad factor de corrección por presión barométrica n = exponente que depende de la configuración de los electrodos teniendo un valor máximo de 1,0 en condiciones estándar Kh = 11 gm/m3

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se obtiene de la expresión:

Siendo: b = la presión barométrica en cm de mercurio t = la temperatura a °C Las condiciones estándar b = la presión barométrica a 76 cm de mercurio a 0 msnm t = la temperatura a 25 °C Tomando como referente el nivel del mar y la temperatura ambiente de 25 °C, los factores de corrección para diferentes altitudes tomados por rangos se indican en la tabla siguiente: TABLA II. FACTORES DE CORRECCION POR PRESION BAROMETRICA PARA DIFERENTES ALTITUDES CON RESPECTO A 0 MSNM

Rangos

0 a

501 -

1001-

1501-

2001-

2501-

en msnm

500

1000

1500

2000

2500

3000

0,942

0,855

0,834

0,775

0,732

0,688

Factor de corrección

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Los factores de corrección por humedad se obtienen aplicando los valores de la gráfica No La tensión crítica de flameo para distancias en aire utilizadas en diseño para condiciones diferentes a las estándar se calculan mediante las siguientes expresiones:

EJEMPLO V Determinar la tensión critica de flameo (VCF) y las distancias en aire con una configuración conductor estructura para una tensión de 69 kV que va operar a una altitud de 1800 msnm, a una temperatura media anual de 25°C y humedad de 16 g/m3. Solución  El nivel básico de aislamiento al impulso por rayo para 69 kV de acuerdo a la tabla XX es 350 kV.

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 La tensión crítica de flameo en condiciones estándar es:

=  La tensión critica de flameo de diseño para las condiciones dadas es:

De la gráfica XX para corrección por humedad Kh =0,955 Con n = 1,0 de la tabla XX 0,775

 Las distancias en aire para la configuración conductor estructura por efecto de impulso al rayo se obtiene de la expresión: (

)

De la tabla de factores del gap K3 = 550 En condiciones estándar

de fase a

tierra. Francisco J. Naveira C.

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A 1800 msnm y humedad absoluta de 16g/m3 de fase a tierra.

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