1. INDICETECNICA DE LA ALTA TENSIONPor los Ings. Jorge N. L. Sacchi Alfredo RifaldiINTRODUCCION A LA TECNICA DE LA ALTA TENSIONCAPITULO 1 - INSTALACIONES DE CORRIENTE ALTERNA DE ALTA TENSINSistema elctrico - Clasificacin - Instalacin elctrica - Clasificacin - Planta elctrica -Clasificacin de las instalaciones elctricas por su funcin - Centrales de generacin(hidrulicas, trmicas, turbogs) - Estaciones elctricas - Definiciones - Ejemplo -Componentes de la estacin elctrica - Equipos principales - Interruptor - Seccionador- Seccionador de puesta a tierra - Transformadores de medicin - Transformador detensin - Transformador de corriente - Descargadores - Capacitor de acoplamiento -Bobina de bloqueo - Aisladores - Transformadores de potencia - Lneas de alta tensin- Transmisin - Distribucin - Cables - Cabinas de transformacin - Tableros dedistribucin - Centros de potencia - Compensacin - Utilizacin - Accionamientoselctricos - Hornos elctricos de arco - Fundamento del uso de tensiones elevadas enla electrotecnia de potenciaCAPITULO 2 - INSTALACIONES DE ALTA TENSIN EN CORRIENTE CONTINUAIntroduccin: por qu se utiliza la corriente continua? - Interconexiones asincrnicassin lnea de corriente continua - Interconexiones con cables aislados (submarinos) -Interconexiones con largas lneas areas - Largas lneas areas de corriente alterna -Comparacin entre transmisin en corriente alterna y continua - Aplicaciones -transmisin en alta tensin para el ferrocarril - Filtros de armnicasCAPITULO 3 - PROCESOS ELECTROMAGNTICOS OSCILATORIOS Y DECHOQUEIntroduccin - Sobretensiones y sistemas de puesta a tierra - Origen de lassobretensiones - Causas y efectos - Normas - Generalidades - La normalizacin en elcampo electrotcnico - La unificacin en el campo electrotcnico - Los rganos deControl - Las normas de Ley sobre las instalaciones elctricas - La aislacin y las

2. normas - Comparacin de las sobretensiones - Caractersticas de las sobretensionesatmosfricas - Propagacin de las sobretensiones atmosfricas - Deformacin de lasondas por causa de bobinas y capacitores - Caractersticas de los aislamientos -Principios bsicos de coordinacin del aislamiento - Coordinacin de la aislacin(relacin entre valores) - Fenmenos particulares - Fenmenos de resonancia -Fenmenos de ferroresonanciaCAPITULO 4 - EL CAMPO ELCTRICOIntroduccin - Campo entre dos esferas - Mtodo de las imgenes - Campo de unaesfera con paredes prximas, influencia de la tierra - Problemas de borde - Campoalrededor de un cilindro y de un haz de cilindros - Campo provocado por una lneaelctrica - Efecto Corona en lneas de transmisin - Aisladores de lneasCAPITULO 5 - AISLANTES SLIDOS EN LA TCNICA DE LA ALTA TENSIN.Intensidad de campo elctrico y desplazamiento - Clculo de la tensin a lo largo delas lneas de campo - Capacitores planos con varias capas aislantes - Capacitorescilndricos con varias capas aislantes - Campo en cable de un solo conductor - Campoen cable tripolar - Las prdidas dielctricas - Terminales de cables - Aisladores paratransformadores - Aisladores soportes - Aislacin de arrollamientos de mquinas(descargas parciales, su efecto) - Refraccin de las lneas de campo - Determinacindel campo elctricoCAPITULO 6 - AISLANTES LQUIDOS Y GASEOSOSIntroduccin - Lectura complementaria recomendada - Transformadores y capacitorescon fluido dielctrico a base de Bifenilos Policlorados - El SF6 y sus productos dedescomposicin. - Grandes transformadores aislados con gas SF6.CAPITULO 7 - ANLISIS DE LAS EXIGENCIAS REALES A QUE SE HALLANSOMETIDOS LOS DIELCTRICOSIntroduccin - Las protecciones de sobretensin - Mtodos de control de lassobretensiones - Descargadores - Explosores - Filtros y supresores de sobretensin -Estadstica de los fenmenos, frecuencia 3. CAPITULO 8 - ESPECIFICACIONES DE ENSAYOS EN ALTA TENSINConsideraciones bsicas - Clasificacin de los ensayos - Ensayos de rutina - Ensayosde tipo - Ensayos especiales - Ensayos de mantenimiento - Ensayos de campo -Generalidades - Caractersticas referentes a la descarga disruptiva y tensin deensayo - Caractersticas presuntas de una tensin de ensayo - Caractersticasestadsticas de las tensiones de descarga disruptiva - Probabilidad de descargadisruptiva de un objeto ensayado - Probabilidad de soportar una tensin de ensayo -Tensin 50% de descarga disruptiva de un objeto ensayado - Principios generalesreferentes a la modalidad de los ensayos - Disposiciones generales del objetoensayado - Ensayos a seco - Ensayos de polucin artificial - Condiciones atmosfricas- Factores de correccin atmosfricos - Ensayos con tensin de impulso - Definicin deonda de impulso atmosfrico - Tensin de ensayo - Definicin de onda de impulso demaniobra - Tensin de ensayo - Coordinacin de la aislacin - Criterio decomportamiento - Procedimientos de coordinacin del aislamiento - Mtododeterminstico - Mtodo estadstico - Particularidades de la tensin soportada aimpulso de maniobraCAPITULO 9 - INSTALACIONES DE PRUEBA PARA ALTA TENSINIntroduccin - Objetos de ensayo y procedimientos - Investigacin - Eleccin de losmtodos de ensayo y recursos de investigacin - Finalidades - Ensayos de aislacin aimpulso - Circuito de prueba - Transductores - Transmisin de las seales - Registrode las seales - ConclusionesAPENDICE 1 - PROBLEMAS DE APLICACINProblemas de aplicacin de los distintos capitulos.APENDICE 2 - PREGUNTASPreguntas sin respuestas para evaluacion.ILUSTRACIONES DE CLASE - ARCHIVOS PPSEnergia y fuentes de energia definicion, fuentes, combustibles fosiles, nuclear,hidraulica, eolica, solar, biomasa, mareomotriz, geotermica. 4. Centrales electricas 1- parte central hidroelectrica, tomas de agua, casa de maquinas,turbinas, represas, centrales de bombeo - Centrales eolicas, aerogeneradores,tipologia,Centrales electricas 2- parte centrales termicas, esquema, descripcion, relacion con elmedio ambiente, centrales nucleares, esquema, central solar, esquema. 5. INTRODUCCION A LA TECNICA DE LA ALTA TENSIONEn la carrera de ingeniera el alumno cursa, estudia, es examinado, y apruebadistintas y variadas materias, avanzando, son obstculos que debe irvenciendo.A lo largo de estos aos ha comenzado con materias formativas, fsicas ymatemticas, que son el bagaje que lo acompaar durante su vidaprofesional.Efectivamente, en el ejercicio de la profesin la fsica, la matemtica,aprendidas y maduradas en los aos de facultad no cambiarn.A medida que se acerca al fin de la carrera, materias ms y ms especializadasatraen el inters del estudiante, pero vistas con la perspectiva de los aossimplemente muestran la tcnica de hoy, sin considerar que quien esestudiante hoy, trabajar en el maana (todava incierto).Estas ltimas son materias informativas, deslumbrantes hoy, pero con laenorme velocidad que adquiri el avance tecnolgico, obsoletas, superadasmaana.Por citar un solo ejemplo, hace 30 aos las turbinas de gas de 20 MW nosparecan enormes, y se usaban para atender cargas de punta pocas horas alda, hoy las de 200 MW son normales, y trabajan de base, las 24 horas, conrendimientos ayer increbles, maana se acabar el gas...Esta materia "Tcnica de la alta tensin" seguramente engolosinar al alumno,tiene un nombre altamente profesional, qu espera el alumno recibir en ella?quizs sus ilusiones son enormes... 6. Est ubicada despus de matemticas, fsica, teora de circuitos, electrnicageneral, mediciones, calidad total, economa.Contempornea con instrumentos y mediciones elctricas, electrnica aplicada,tecnologa de materiales elctricos, mquinas elctricas, sistemas de potencia.Y ser seguida por centrales elctricas, construccin de mquinas y equiposelctricos, instalaciones elctricas, evaluacin de proyectos industriales,organizacin de obras elctricas.La regla importante cuando se plantean los temas en la relacin enseanzaaprendizaje es ir de lo simple a lo complejo y de lo concreto a lo abstracto, eningeniera lo simple son los fundamentos (a veces difciles - generalmenteconcretos)... lo complejo es resolver el problema (a veces es fcil -generalmente abstracto, y debe concretarse)...En el futuro veremos en distintas materias informativas (que informan como sehace) los mismos conceptos, bajo distintos aspectos, los conceptos sern losmismos, pero el ngulo de enfoque tan distinto puede hacernos creer que nohay relacin entre esos temas vistos en cada materia de distinta forma.En esta materia hemos reunido temas muy prximos a la fsica y laelectrotecnia, el enfoque es ms prximo a las aplicaciones reales y debelograr una relacin que madurando en las ltimas materias de la carreramuestre la estrecha relacin que hay entre todas ellas y establezca el nexo quecreemos necesario.Hoy todava equivocadamente, la tendencia es especializarse, y al hacerlo nosdispersamos y alejamos, quedndonos solos...Los problemas son nicos, el enfoque para resolverlos bien tiene que ser muyamplio, la especializacin es muy peligrosa, aunque muy atrayente. 7. Hay que saber en profundidad, hay que estudiar a fondo, pero es indispensablela capacidad de adaptarse y readaptarse que muchas veces en el futuro se noshar necesaria, cada vez ms indispensable en la vida.Esta materia con su enfoque intenta marcarnos ese rumbo, los temas son:fenmenos electromagnticos, campos elctricos, fenmenos en aislantes,exigencias sobre la aislacin, ensayos de comprobacin...Como estos temas queremos aplicarlos a objetos reales, es necesariocomenzar a observar el mundo que nos rodea con ojos que buscan lo que eselctrico, muchas veces escondido e intangible...Hoy la electricidad es tan importante que unos minutos sin ella se hacenintolerables, si falta por das la vida es imposible...Trataremos de encontrar explicacin, en esta materia, del por que ciertas cosasse hacen en cierta forma, y otras no deben hacerse... comencemos a trabajar!CAPITULO 1INSTALACIONES DE CORRIENTE ALTERNA DE ALTA TENSIONSistema elctrico- Sistema elctrico: es el conjunto de mquinas, de aparatos, de barras y delneas que constituyen un circuito que tiene determinada tensin nominal. 8. - Tensin nominal de un sistema: es el valor de la tensin con la cual el sistemaes denominado, y al cual se refieren sus caractersticas, de acuerdo con lo queindican las normas sobre tensiones nominales.En los sistemas trifsicos se considera como tensin nominal la compuesta ode lnea (figura 1.1). Figuras 1.1 1.2- Tensin mxima de un sistema: es la tensin mas elevada (expresada envalor eficaz para los sistemas en corriente alterna) que puede presentarse encualquier momento y en cualquier punto del sistema en condiciones regularesde servicio (figura 1.2).No se tienen en cuenta las variaciones temporneas de la tensin(Sobretensiones, subtensiones) debidas a fallas, o a desconexiones bruscas dela carga, etc.Ejemplo: Para los sistemas de 132 kV corresponde una tensin mxima de 145kV.Clasificacin 9. Los sistemas elctricos pueden clasificarse por su nivel de tensin y en la jergase utiliza la siguiente divisin (figura 1.3):Figura 1.3- Baja tensin, sistemas de hasta 1.000 V.- Media tensin, sistemas hasta 36 kV, algunos consideran valores ms altos(72,5 kV) el lmite est en la diferente tecnologa entre esta clase y la superior.- Alta tensin, sistemas hasta 245 300 kV.- Muy alta tensin, por encima de los 300 362 kV.Los lmites de la clasificacin no son estrictos, dependen de criterios y denormas.Instalacin elctrica- Instalacin elctrica: es un conjunto orgnico de construcciones y deinstalaciones destinadas a alguna de las siguientes funciones: produccin, 10. conversin, transformacin, regulacin, reparticin, transporte, distribucin,utilizacin de la energa elctrica.ClasificacinUna instalacin elctrica puede ser considerada interior o exterior.Una instalacin elctrica, o una parte, se dice que es interior si est contenidaen locales que la reparan de los agentes atmosfricos.En los restantes casos se considera exterior.Planta elctrica- Planta elctrica: es el conjunto de locales y/o reas encerradas en un nicocerco, se trata de instalaciones elctricas destinadas a produccin, conversin,transformacin, regulacin, reparticin de la energa elctrica, etc.Cuando una planta est incorporada a obras civiles, se entiende por plantaelctrica solo los locales que incluyen instalaciones elctricas.Clasificacin de las instalaciones elctricas por su funcinLa energa elctrica se genera en centrales elctricas y se consume en loscentros de utilizacin (industrias, viviendas, servicios) que estn relativamentealejados. Estos puntos estn unidos por la red elctrica cuya funcin es hacerque llegue a destino la energa.Las distancias se cubren con lneas elctricas que interconectan centrosllamados estaciones elctricas. Las funciones de lneas y estaciones elctricaspasan por distintos niveles de importancia: transmisin, distribucin.- Centrales elctricas destinadas a producir energa elctrica. 11. - Estaciones elctricas conectadas a sistemas en los cuales al menos uno debeconsiderarse de alta tensin.- Cmaras, conectadas a sistemas de media tensin.- Consumo, es una instalacin elctrica que incluye aparatos utilizadores conconexin fija, los correspondientes circuitos de alimentacin, y tambin loscircuitos fijos destinados a alimentar tomas.Centrales de generacin (hidrulicas, trmicas, turbogs)Se entiende por instalacin hidroelctrica el conjunto de obras civiles,hidrulicas y elctricas que permiten transformar en energa elctrica la energade gravedad del agua contenida en lagos o ros dependiendo de un ciertodesnivel o salto existente entre estos y la central de produccin. La figura 1.4muestra un corte de una turbina hidrulica. Figura 1.4En las instalaciones termoelctricas se efecta la transformacin de energadisponible en forma de calor en energa mecnica. La fuente de calor est 12. constituida generalmente por combustibles slidos, lquidos o gaseosos. Lafigura 1.5 muestra una vista de una central trmica. Figura 1.5Las centrales turbogs se utilizan en los casos en que se requiere una rpidaintervencin para la produccin de energa de punta, o cuando el combustible(gas - recurso no renovable) tiene asignado un muy bajo valor, el rendimientopuede mejorarse recuperando parte del calor que tienen los gases de descargacomo elemento comburente de calderas a vapor (ciclos combinados). La figura1.6 muestra el principio de una turbina de gas. 13. Figura 1.6En las centrales elctricas los servicios auxiliares para el funcionamiento decada grupo se pueden alimentar directamente de un transformador conectado alos bornes del generador, o tambin desde un transformador conectado a la redexterna (figura 1.7). Figura 1.7Estaciones elctricasLas estaciones elctricas pueden tener las funciones de conversin,transformacin, regulacin, reparticin de energa elctrica.Hay estaciones que tienen transformacin, en tal caso se tienen dos o mssistemas de tensiones distintas.Hay estaciones que tienen un solo sistema, de una sola tensin nominal, y sufuncin es interconexin. 14. En rigor encontramos generalmente ambas funciones en una estacin elctrica(figura 1.8). Figura 1.8El examen de una estacin elctrica muestra distintas partes, reas y sectores.Definiciones- Seccin de instalacin, es una parte que incluye equipos o aparatosorgnicamente agrupados y conectados, caracterizados por una determinadatensin nominal, incluyendo sus estructuras portantes.En el caso particular de las Estaciones Elctricas la seccin se denominacampo o vano (en ingles bay, algunos la llaman baha).- Tablero de control y comando, es el conjunto orgnico de dispositivos yaparatos (incluidas sus estructuras portantes) alimentados por sistemas de bajatensin destinados a medicin, comando, sealizacin, control, y proteccin delas mquinas, aparatos, y circuitos de una planta elctrica, estacin elctrica ode un consumo.Ejemplo 15. Al observar una estacin elctrica encontramos los distintos campos: de lnea,transformador, acoplamiento, medicin, etc.Los diferentes equipos de los campos o vanos se comandan desde el tablero(figura 1.9). Figura 1.9Componentes de la estacin elctricaAl observar la estacin, fotos o planos, vemos torres, estructuras donde estnamarradas las lneas, y conductores (barras) de la estacin, llamageneralmente la atencin su tamao, la vista siguiendo estas estructuras sube.Encontramos conductores tensados entre aisladores, o sostenidos por ellos,debajo los equipos cuya cabeza se encuentra en tensin y estn sostenidospor aisladores y soportes estructurales.Los conductores se deben unir entre s y a los equipos, mediante morseteriaadecuada. 16. En el suelo de la estacin observamos canales de cables, por los que correnlos cables de comando, medicin, proteccin que estn sumergidos en unambiente de elevada interferencia electromagntica (corrientes y tensioneselevadas son causa de los intensos campos magnticos y elctricos queinducen en los cables sus efectos).En el subsuelo se encuentra tendida una red de tierra que tiende a mantener elsuelo de la estacin con caractersticas equipotenciales, para evitar peligros alas personas y controlar interferencias electromagnticas.Adems se tienen obras civiles, fundaciones, drenajes, caminos. En la estacinse encuentran adems edificios, ya en el campo, kioscos, y fuera del campo,edificio de comando donde se concentra esa funcin, medicin, proteccin,telecomando etc.En la Estacin Elctrica encontramos distintas construcciones, instalaciones yequipos con funciones particulares y caractersticas definidas.Ya hemos citado los distintos equipos de la estacin, pero conviene tratar dehacer alguna clasificacin, en principio por funcin:- instalaciones y equipos de potencia o principales: interruptor, seccionadores,transformadores demedicin, descargadores, trampa de onda,transformadores de potencia.- instalaciones y equipos de control y auxiliares: comando, sealizacin,protecciones, servicios auxiliares, servicios esenciales.Equipos principalesLos equipos directamente relacionados con las magnitudes elctricas en juegoen la Estacin, son llamados equipos principales (figura 1.10) 17. Figura 1.10Las caractersticas elctricas principales de la estacin y de sus equipos estnrelacionadas con los niveles de tensin y cortocircuito.Los equipos de potencia, son adquiridos y se instalan en la estacin, pero noson en general construidos especialmente para la estacin en cuestin, seconstruyen bajo normas que imponen las caractersticas de inters y fijan losensayos que las comprueban.InterruptorEl interruptor es un aparato de maniobra mecnico, capaz de establecer,conducir e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito; ytambin de establecer, conducir por un tiempo determinado, e interrumpir 18. corrientes en determinadas condiciones anormales como las de cortocircuito(figura 1.11). Figura 1.11Este es el aparato que ha sufrido mayores evoluciones y cambios en susprincipios de funcionamiento, casi podramos decir que es como si hubiesehabido modas (aunque la realidad fuera consecuencia frecuentemente dedificultadtecnolgica) citemossolo los medios de interrupcin aire(comprimido), aceite, gas SF6, vaco.SeccionadorEl seccionador es un aparato mecnico de conexin que asegura, en posicinabierta, una distanciade seccionamientoquesatisface condicionesespecificadas. Un seccionador es capaz de abrir y de cerrar un circuito cuandose establece o interrumpe una corriente de valor despreciable, o bien no seproduce ningn cambio importante de la tensin entre los bornes de cada unode los polos del seccionador. 19. Es tambin capaz de conducir corrientes en las condiciones normales delcircuito, y de soportar corrientes por un tiempo especificado en condicionesanormales como las de cortocircuito (figura 1.12 a - figura 1.12 b).Se los clasifica por el plano en que se mueven las cuchillas, vertical, horizontal,por la distancia de seccionamiento, tambin vertical u horizontal, por el nmerode columnas de aisladores que tienen por polo, dos o tres columnas, por laposicin relativa de los polos, diagonal, paralelos, en fila india. Figura 1.12a 20. Figura 1.12bSeccionador de puesta a tierraEl seccionador de puesta a tierra, tiene la funcin de conectar a tierra parte deun circuito.El seccionador de tierra generalmente est asociado a un seccionadorprincipal.Normalmente este seccionador cortocircuita un aislador de soporte delseccionador principal al que se encuentra asociado. 21. Transformadores de medicinLos transformadores de medicin estn destinados a alimentar instrumentos demedida, indicadores, registradores, integradores, rels de proteccin, oaparatosanlogos. Segn la magnitud en juego se clasifican enTransformadores de Tensin y de Corriente.Actualmente estas funciones se realizan con aparatos de tipo electromagntico,pero la tecnologa ya ha comenzado a difundir trasductores cuya seal desalida es luminosa y se transmite a los aparatos de visualizacin mediante fibraptica.Transformador de tensinEs un transformador en cuyo secundario, en condiciones normales de uso setiene una tensin cuyo mdulo es prcticamente proporcional a la tensinprimaria, y que difiere en fase en un ngulo prximo a cero, para una adecuadaconexin.En alta tensin se encuentra conectado entre fase y tierra (figura 1.13), slohasta 72.5 kV se encuentran construcciones para conexin entre fases (condos aisladores). 22. Figura 1.13Transformador de corrienteLos transformadores de corriente presentan una corriente secundaria cuyomdulo es prcticamente proporcional a la corriente primaria y que difiere enfase en un ngulo prximo a cero.Los hay de distintas formas constructivas, para alta tensin con ncleo en laparte inferior, o con ncleo en la cabeza (figura 1.14 a - figura 1.14 b), paramedia tensin del tipo pasabarra o pasacable, o bobinados. 23. Figura 1.14a 24. Figura 1.14bDescargadoresEl descargador es un aparato destinado a proteger el material elctrico contrasobretensiones transitorias elevadas y a limitar la duracin y frecuentemente laamplitud de la corriente subsiguiente.Modernamente se han impuesto los descargadores de xido de cinc (figura1.15). 25. Figura 1.15Capacitor de acoplamientoTiene la funcin de acoplar los sistemas de telecomunicaciones en altafrecuencia a las lneas areas de alta tensin (figura 1.16), que de esta maneraactan como soporte de comunicaciones. 26. Figura 1.16Los transformadores de tensin capacitivos pueden cumplir las funciones detransformador de tensin y de capacitor de acoplamiento (figura 1.17) para lasaltas frecuencias que sostienen la comunicacin. 27. Figura 1.17Bobina de bloqueoLa bobina de bloqueo, tambin llamada Trampa de Onda, es un dispositivodestinado a ser instalado en serie en una lnea de alta tensin. Su impedanciadebe ser despreciable a la frecuencia de la red, de manera de no perturbar latransmisin de Energa, pero debe ser selectivamente elevada en cualquierbanda de frecuencia utilizable para la transmisin por onda portadora.El equipo consiste en un inductor principal, un dispositivo de proteccin,descargador, y un dispositivo de sintonizacin (figura 1.18). 28. Figura 1.18AisladoresLos aisladores son dispositivos que sirven para mantener un conductor fijo,separado y aislado de partes que en general no estn bajo tensin (a tierra).Los aisladores que sirven para que un conductor atraviese una pared sedenominan pasamuros. Se los denomina pasatapas cuando atraviesan la cubade un transformador o la celda metlica de una instalacin blindada.Podemos denominarlos genricamente como aisladores pasantes.La definicin de stos incluye los medios de fijacin al tabique o pared aatravesar. 29. Transformadores de potenciaEn las estaciones de transformacin la parte ms importante est ciertamenterepresentada por los transformadores, tanto por la funcin que ellos desarrollancomo por su costo respecto a las otras partes de la instalacin.Los transformadores pueden dividirse en dos grupos:Mquinas con aislamiento secoMquinas con aislamiento en aceiteLos transformadores secos tienen la parte activa en contacto directo con unmedio aislante gaseoso (generalmente aire) o con un medio aislante slido(resinas, materias plsticas, etc.) la potencia y tensin de las maquinas de estetipo es todava limitada.Los transformadores en aceite tienen en cambio las partes activas inmersas enaceite mineral y para estas mquinas no existen prcticamente lmites en lapotencia y las tensiones. Se construyen mquinas de varios centenares deMVA y para tensiones superiores a los 500 kV. La figura 1.19 muestra distintoscortes de un transformador de 25 MVA, 130 kV 2 3.8 %, con refrigeracintipo ONAF (aceite natural, aire forzado), con conmutador no bajo carga. 30. Figura 1.19Lneas de alta tensin - TransmisinLa funcin de las lneas elctricas es transmitir energa entre dos puntos enforma tcnica y econmicamente conveniente, para lo cual se busca optimizarlas siguientes caractersticas:Resistencia elctrica, ligada a las prdidasResistencia mecnica, ligada a la seguridad 31. Costo limitado, ligado a la economaEsencialmente la lnea debe estar formada por conductores, como es necesariomantenerlos a distancia del suelo y entre s, la construccin de soportes, torreses la solucin para sostenerlos mediante aisladores.En el diseo se trata de buscar soluciones que reduzcan el costo de las torresdesde el punto de vista de primera instalacin y tambin de reconstruccindespus de eventos destructivos.Los soportes pueden ser metlicos (figura 1.20) o de hormign (figura 1.21),aptos para soportar una o dos ternas. Figura 1.20 32. Figura 1.21Las caractersticas de las lneas que son de mayor importancia son su longitudy su tensin. Los parmetros elctricos de importancia para observar sucomportamiento en la red son resistencia, reactancia inductiva y capacitanciaderivacin.A veces las lneas tienen cables de guarda, estos apantallan los conductores,protegindolos de descargas atmosfricas directas (rayos), recientemente hancomenzado a difundirse cables de guarda con fibra ptica que se utiliza comovector de transmisin de informacin entre las estaciones que une la lnea. 33. DistribucinSe denomina distribucin primaria la que se realiza en una tensin mselevada llegando a los primarios de los transformadores (figura 1.22), ydistribucin secundaria la que se realiza desde el secundario.Desde el centro de cargas a cada una de las cargas se puede llegar en formaradial, con un nico cable; esta solucin tiene el inconveniente que la eventualfalla del cable deja sin suministro la carga.Figura 1.22CablesPor cable elctrico se entiende un conductor uniformemente aislado (o unconjunto demsconductores uniformemente aislados y reunidos) 34. generalmente provistos con un revestimiento de proteccin. Se debenconsiderar bajo esta denominacin distintos productos que van de los cablesdestinados a las redes de transmisin y de distribucin a los cables depequeas dimensiones.La figura 1.23 muestra un cable de aceite fluido de tipo unipolar para altatensin.Figura 1.23Cabinas de transformacinLos centros donde se transforma energa de media a baja tensin reciben estadenominacin, la asociacin de equipos incluye tablero de media tensin,transformador y tablero de baja tensin.En general son estaciones pequeas de transformacin con potenciasnominales de hasta 630 kVA que encuentran aplicacin en zonas residenciales,en edificios y en la industria.La estacin pequea de transformacin constituye una unidad cerrada,compuesta por un armario de alta tensin, el recinto del transformador y un 35. armario de baja tensin, estos componentes estn cubiertos por un techocomn. Esta estacin blindada y compacta, con adecuada clase de proteccin,se puede instalar a la intemperie o en interiores. La figura 1.24 muestra a laizquierda el armario de alta tensin y a la derecha del transformador el armariode baja tensin.Figura 1.24Tableros de distribucin - Centros de potenciaLos aparatos de maniobra, de interrupcin, de comando y de medicin entensiones medias y bajas, se encuentran reunidos y distribuidos en formaracional en tableros, con todas las conexiones de potencia (barras) y auxiliares(cableado) realizada.En el concepto moderno un tablero debe ser robusto, apto para soportar todaslas solicitaciones mecnicas, trmicas y elctricas que se presentan en elservicio; debe garantizar la ejecucin de las operaciones de servicio ymantenimiento, debe ofrecer la mxima seguridad para la proteccin de laspersonas contra partes en tensin o en movimiento. 36. Adems debe ser de construccin flexible, modular y normalizada, para permitirampliaciones y/o modificaciones que pudieran ser requeridas durante su vida,la figura 1.25 muestra distintas soluciones. Figura 1.25CompensacinLas cargas en general son inductivas, si observamos una carga cualquiera enla red elctrica podemos representarla por P + jQ, circuitalmente con unaresistencia y una reactancia (inductiva) en paralelo.La corriente que alimenta la carga es proporcional a la potencia aparente, ya hemos visto que las prdidas de transmisin (en la lnea quealimenta la carga) dependen del cuadrado de la corriente (y para dada tensin)del cuadrado de la potencia aparente. 37. Una forma de reducir las perdidas en la distribucin es reducir A, y como lapotencia activa P es la que exige la carga, la nica posibilidad es reducir Q.En paralelo con la inductancia de la carga, se pone un capacitor, en esta formase cambia la potencia, y el factor de potencia que ve la red de distribucin, queahora ser: P + j (Q - Qc) El distribuidor de energa empuja a los usuarios (atravs de tarifa con multas y sobreprecios) a que compensen el factor depotencia (cosj ) de sus cargas, en esta forma se reducen perdidas en la red, yse dispone de ms capacidad de transporte, pudiendo postergarse inversionesque el crecimiento de la carga exige.Esto se logra con capacitores que pueden ser pequeos, con cargas pequeas,o grandes bancos con cargas mayores, que se ubican en puntos estratgicosde la red.La presencia de capacitores en la red, exalta algunos fenmenos dearmnicas, cuyo origen esta en las cargas cada vez mas controladas medianteelectrnica de potencia, que son fuentes de corrientes armnicas, que segeneran en las cargas y tienden a ir hacia los generadores, deformando latensin, y perturbando a las otras cargas, en lo que se llama empeoramiento dela calidad de servicio.Por ahora solo nos interesa saber de la presencia de capacitores en la red.UtilizacinUna gran parte de la energa elctrica se utiliza en aparatos de baja tensin,lmparas, motores y otros artefactos con funciones dedicadas. Pero tambin enindustrias y servicios encontramos motores (asincrnicos y sincrnicos)alimentados directamente por media tensin. 38. La maniobra de los motores se realiza mediante contactores aptos para haceruna gran cantidad de operaciones con mnimo desgaste.Algunas aplicaciones se alimentan con rectificadores desde la media tensin,instalaciones de traccin elctrica, laminadores, etc., tambin se alimentandesde media o alta tensin grandes hornos elctricos de arco en corrientealterna y ms modernos en corriente continua.En base a su funcin las instalaciones elctricas destinadas a la alimentacinde losusuarios, pueden clasificarse en instalaciones industriales einstalaciones para edificios civiles. La divisin de las instalaciones no esrigurosa si se entiende por edificios civiles aquellos dedicados exclusivamentea viviendas.La eleccin de la tensin de alimentacin es funcin de la potencia absorbidapor la instalacin: los grandes complejos tienen inters de adquirir energa abajo costo alimentndose de la distribucin primaria, mientras que para losusuarios ms modestos (ms numerosos) es ms conveniente adquirir en bajatensin.Accionamientos elctricosPor accionamiento elctrico se entiende cualquier conjunto (sistema) apto paratransformar potencia elctrica en potencia mecnica que, aplicada a la mquinaaccionada, permite a esta ltima efectuar el trabajo requerido.El continuo progreso tcnico y las crecientes exigencias de la produccin hanpuesto en evidencia la necesidad de accionamientos de velocidad variabledotados de gran flexibilidad, facilidad de control y elevada seguridad deservicio. 39. Por esta razn la eleccin de un accionamiento elctrico se debe hacer enfuncin de algunos factores tcnicos, econmicos y funcionales entre loscuales tienen particular importancia las caractersticas de la red dealimentacin (tensin, corriente, frecuencia, factor de potencia, facturacin,etc.), las caractersticas de la parte accionada (caracterstica mecnica, inerciade las masas rotantes, etc.) y el costo de adquisicin y grado de obsolescenciade las mquinas.En algunas industrias como minera, siderurgia, qumica y petroqumica,plantas de cemento etc., se utilizan motores asincrnicos trifsicos de jaula conun rango de tensiones que va desde 400 a 13800 V.Hornos elctricos de arcoLa energa elctrica tambin es muy utilizada para la produccin de calor pormedio del arco voltaico en los hornos de fundicin de chatarra de hierro, decobre o de otros metales, de difcil fusibilidad en hornos de reduccin de xidosmetlicos (en estos ltimos los electrodos penetran en la masa constituida porlos xidos metlicos a reducir).La figura 1.26 muestra el esquema de principio de un horno elctrico de arcoalimentado en alta tensin. 40. Figura 1.26Fundamento del uso de tensiones elevadas en la electrotecnia depotenciaCuando se deben transmitir grandes potencias desde la generacin hasta loscentros de consumo, es necesario en la electrotecnia de potencia el uso detensiones elevadas. En la figura 1.27 se muestra un esquema unipolar de unainstalacin de transmisin simple. Los elementos ms importantes de altatensin de una instalacin son: generador (G), barras (SS), transformador (Tr)e interruptor (S) del lado de generacin, la lnea de transmisin y nuevamenteun transformador, interruptor y barras del lado de consumo. La corriente seconduce a travs de conductores metlicos. Por lo tanto se producen prdidas,entre las cuales la prdida por efecto Joule es la ms importante. 41. Figura 1.27La prdida Joule, Pj en un sistema de transmisin trifsico, cuando laresistencia hmica de una fase es igual a R, resultaIntroduciendo la potencia a transmitirEn la expresin anterior, la prdida Joule resulta:Esta expresin muestra que la prdida Joule de una lnea es proporcional alcuadrado de la potencia a ser transmitida P, y a la resistencia hmica R de lalnea, adems, inversamente proporcional al cuadrado de la tensin U y alfactor de potencia cos j.Las prdidas, por motivos econmicos, no deben superar un determinadoporcentaje de la potencia a ser transmitida. De esta expresin surge que laconclusin ms eficaz es la elevacin de la tensin a utilizar.Con una elevacin de la tensin, tambin, se eleva el costo de la instalacin.Por eso es necesario, al proyectar una instalacin de transmisin de potencia,considerar todas estos aspectos que inciden en el costo del sistema detransmisin. 42. La conclusin es que la tensin ms econmica de una lnea es funcin de ladistancia de transmisin y de la potencia, observndose una pequeaincidencia de la distancia y una gran influencia de la potencia en ladeterminacin de la tensin ms econmica.La pregunta es: cules son los problemas que surgen al ingeniero, en lautilizacin de tensiones elevadas?Ya hemos visto la gran variedad y complejidad de las instalaciones de altatensin, hemos nombrado y descripto someramente gran cantidad de aparatosde distinto tipo y con distintas funciones a integrarse en el sistema elctrico, nohay duda que los problemas son muchos, algunos los abordaremos en estamateria y otros quedarn para las materias futuras.CAPITULO 2INSTALACIONES DE ALTA TENSIN EN CORRIENTE CONTINUAIntroduccin: por qu se utiliza la corriente continua?Histricamente las primeras aplicaciones de energa elctrica, fueron encorriente continua, pero rpidamente se descubrieron las ventajas de lacorriente alterna, que permita independizar la aplicacin (transmisin outilizacin) de la tensin aprovechando los transformadores.Iniciamos hacindonos la pregunta: por que se utiliza la corriente continua enlos grandes sistemas de transmisin y para algunas aplicaciones especiales,hasta aqu hemos visto todas ventajas para la corriente alterna, veamos ahorala contraparte, comencemos viendo necesidades y tipos de instalaciones decorriente continua, que se presentan. 43. En el mundo se ha difundido la corriente alterna, parte utiliza 50 Hz (Europa, ylos pases donde la industria Europea ha influido ms) y parte 60 Hz (EstadosUnidos, y su rea de influencia), en algunos pases coexisten ambasfrecuencias por ejemplo Japn, en otros como Brasil en los aos 70 se hizo unenorme esfuerzo para unificar y pasar todo lo que era 50 ciclos a 60.La figura 2.1 muestra como estn distribuidas en el mundo las frecuencias de50 y 60 Hz. Figura 2.1Cuando dos sistemas de 50 y 60 Hz se encuentran prximos, en nuestro casopor ejemplo las redes de Argentina y Brasil, puede ser de inters y de utilidadtratar de interconectarlos, estos sistemas se dicen asincrnicos (no sonsincrnicos), la interconexin se hace con corriente continua.En algunos casos los dos sistemas tienen igual frecuencia pero no tienen lamismaestrategia deregulacin de frecuencia,esel caso de las 44. interconexiones entre Europa del Este y del Oeste y por esa razn no puedenfuncionar en paralelo la solucin para unirlos es tambin utilizando la corrientecontinua.En otros casos tambin se presenta la necesidad de interconectar grandessistemas, permitiendo que conservensu caracterstica de sistemasasincrnicos, aun teniendo igual frecuencia no deben conectarse directamentepara no incrementar las dificultades de operacin de la red.Interconexiones asincrnicas sin lnea de corriente continaTodas las instalaciones de este tipo (sin lnea en corriente continua) sonllamadas Back to back, la figura 2.2 muestra un ejemplo de una instalacin enIndia.Se observan los dos sistemas trifsicos (en 400 kV), transformadores,convertidores electrnicos de corriente alterna a continua, una corta barra deunin (en 205 kV) entre los sistemas de corriente continua. Dentro de estainstalacin adems se encuentran filtros de armnicas. 45. Figura 2.2Interconexiones con cables aislados (submarinos)Otra aplicacin particularmente difundida en Escandinavia, es la interconexinen corriente continua mediante cables submarinos. Esta aplicacin concorriente alterna no sera posible por la gran capacitancia de los cables, queexigira al sistema de corriente alterna una gran potencia reactiva decompensacin, manteniendo muy cargados los cables aun con potencia(activa) transmitida nula.La figura 2.3 muestra las estaciones de alta tensin terminales de corrientealterna, los transformadores, los convertidores de corriente alterna a continua,los reactores serie de corriente continua, que cumplen la funcin de filtros, loscables (101 km para el caso que se observa). 46. Figura 2.3Hay algunas instalaciones con un solo cable y que utilizan el agua comoretorno permanente.En estas instalaciones adquiere importancia la puesta a tierra, que permitetransmitir potencia (parcial) con uno de los cables fuera de servicio, utilizandola tierra (el agua) como conductor de retorno.Se observan los filtros de armnicas en las estaciones de corriente alterna, yen caso de baja potencia de cortocircuito de los nodos, se hace necesario tenercompensadores rotantes (generadores de potencia reactiva).La figura 2.4 muestra la planta de una estacin conversora, puedenencontrarse en ella los distintos componentes ya observados en el esquemaunifilar, que son: 47. Figura 2.41) Filtro doble sintonizado2) Filtro pasa alto3) Almacn4) Transformador de reserva5) Intercambiadores de calor6) Sala de vlvulas7) Transformadores de los convertidores8) Sala de seccionadores de corriente continua9) Lnea del electrodo de tierra10) Cable de corriente continuaLa figura 2.5 muestra cables submarinos aislados con papel impregnado conaceite, o aislados con polietileno reticulado XLPE. 48. Figura 2.5Otra instalacin particularmente interesante es la transmisin submarina deSkagerrak que se ha ido desarrollando en etapas, agregndose sucesivamentecables de 250 kV y recientemente uno de 350 kV como se puede observar enla figura 2.6. 49. Figura 2.6Se puede ver en la figura 2.7 y figura 2.8 las perspectivas de las estacionesconversoras de ambos extremos del cable. 50. Figura 2.7Figura 2.8 51. Una instalacin monopolo (Baltic HVDC link monopolo) cruza el mar Blticoentre Lbeck (Alemania) y Arrie (Suecia) pudindose ver el detalle del cableutilizado en la figura 2.9, el esquema unifilar en la figura 2.10 y la perspectivade una de las estaciones conversoras en la figura 2.11. Figura 2.9Figura 2.10 52. Figura 2.11Interconexiones con largas lneas areasEsta misma solucin puede utilizarse para transmitir potencia en alta tensinentre puntos distantes, con lneas areas bipolares que son ms econmicas,que las lneas areas trifsicas, y esto compensa con su menor costo, losequipos conversores que el sistema de transmisin requiere.La figura 2.12 esquematiza la solucin de transmisin en corriente continua detipo tradicional con dos conductores uno por cada polo, la figura 2.13 muestracomo podra realizarse una transmisin monopolar, aprovechando una lneatrifsica, y el retorno por tierra. 53. Figura 2.12Figura 2.13Para las lneas monopolares adquiere particular importancia la realizacin delas puestas a tierra de las conversoras, ya que su resistencia significa prdidas, 54. es interesante en cambio notar que la seccin del conductor de retorno es"infinita" y entonces no hay prdidas atribuibles a ste.La figura 2.14 muestra las distancias que se adoptan entre conductores yestructuras en las transmisiones en corriente continua (es interesante compararestas distancias con proyectos de corriente alterna). Figura 2.14Para una lnea de 500 kV resulta la distancia de 3.60 mEsta distancia tambin puede obtenerse con la siguiente frmula:La longitud de la lnea de fuga de los aisladores debe cumplir la siguienteecuacin, en casos de contaminacin normales:Para una lnea de 500 kV resulta Lfuga = 4.69 m 55. Para la distancia al suelo (en el punto y condicin de flecha mxima) se utilizala siguiente frmula:que para una lnea de 500 kV resulta Dmin = 8.73 mLa lnea de transmisin bifilar en corriente continua U presenta una cada detensin que se determina fcilmente:La prdida relativa es:Siendo la resistencia del conductorSi la lnea es monopolar de tensin U y siendo rt la resistencia de las puestas atierra, entonces:La prdida relativa es:La tabla que sigue compara dos lneas de corriente continua para transmitir lamisma potencia, con la misma tensin respecto de tierra en soluciones bipolo ymonopolo. 56. Tabla Valores comparativos de lnea de corriente continuaClculo de la Bipolo Monopololnea Longitud km500500 PotenciaMW1000 1000 TensinkV500500 CorrienteA1000 2000 densidad deA/mm211corriente Resistividadohmm3030mm2/km Seccin mm2 1000 2000Resistencia ohm/km0.030.015Rohm 157.5 Resistencia tierraohm2DUV3000019000 PrdidaskW3000038000 prdidas relativas %3 3.8D U/U %3 3.8Para una misma potencia se puede observar la corriente que en cada lnea sedebe transmitir, la seccin que se determina a partir de cierta densidad decorriente (que debe ser econmica) y la consecuencia son las prdidas, y lacada de tensin.Este ejemplo de lneas en corriente continua es muy fcil de comprender, perose observa que no se ha hecho un anlisis equivalente al hablar de las lneasde corriente alterna, debido a que las relaciones son mucho ms complejas. Detodos modos a continuacin intentamos algn avance comparativo. 57. Largas lneas areas de corriente alternaComencemos con una advertencia, trataremos someramente el tema con unavisin muy simplificada. Supongamos una lnea de longitud l, que transmitepotencia P (slo activa) a la tensin U (compuesta trifsica), la corriente ser:Fijamos una densidad de corriente econmica d , una resistividad r , quedadeterminada la seccin del conductor de fase s, la resistencia por unidad delongitud y la resistencia de una fase de la lnea R, las prdidas son:Una caracterstica de la lnea es su reactancia X por fase, la potencia reactivarequerida por la lnea que transmite cierta corriente es:Tabla Valores comparativos de lnea de corriente alterna ClculodelaTrifsica Trifsica lnea de CA1 2 Longitudkm 500 500 PotenciaMW 1000100 Tensin kV 500 500 Corriente Amper1154115 DensidadA / mm21 Resistividadohm3030 mm2/km Seccin mm21154.71154.7 Resistencia ohm/km 0.02590.0259 R ohm12.99 12.99 PrdidaskW 51961.5 519.6 Prdidas relativas%5.190.51 Xreactancia ohm/km 0.3 0.3 58. Xohm 150150 QL MVAr6006 CmicroF/km 0.01 0.01 Frecuencia Hz50 50 wC 3.1415 3.141510-6 10-6 QC MVAr392.69 392.69 Tensin pico kV408.24 408.24Observamos que aunque tratamos de transmitir slo potencia activa nosaparece en la lnea la necesidad de aportarle potencia reactiva, esto no loobservamos en la transmisin en corriente continua (porque slo analizamos lalnea y no las conversoras).La capacitancia por fase C de la lnea genera potencia reactivaLa tabla que sigue rene los clculos sugeridos para una lnea de corrientealterna de caractersticas comparables al ejemplo antes desarrollado paracorriente continua, se han fijado dos estados de carga de la lnea, 1000 y 100MW, para evidenciar como vara la potencia reactiva inductiva de la lnea.Observemos por ltimo que para una determinada corriente las potencias QL yQC se igualan, dejemos aqu el tema conservando la idea de la mayorcomplejidad del comportamiento del sistema de transmisin en corrientealterna.Comparacin entre transmisin en corriente alterna y continuaEs difcil hacer una comparacin entre una transmisin en corriente alterna yuna en continua, para hacer una comparacin completa se deben tener en 59. cuenta muchos componentes, en particular en el sistema de corriente alternalos reactores derivacin de la lnea, y en el sistema en corriente continua lasestaciones conversoras, y transformadores de ambos extremos.Reduciendo la comparacin a las solas lneas, se debe fijar una misma tensinmxima hacia tierra para ambos sistemas, en este caso si adoptamos 525 kVen corriente alterna corresponder 428 kV en corriente continua, y calculandoseccin total y prdidas se observa que la lnea de corriente continua tendrsolo el 70% de la seccin total y prdidas correspondientes a la lnea decorriente alterna, menor seccin significa menos inversin, menores prdidasson menor costo de operacin... hasta aqu hemos llegado, proponemos alestudiante que retome el tema cuando tenga ms elementos de diseo.Repitamos una advertencia, estos ltimos temas los hemos visto con hiptesissimplificativas drsticas, a fin de transmitir una idea simple, hemos simplificadoel problema de la transmisin en demasa... frecuentemente este es un buencamino para encarar problemas de ingeniera, primero con una visinextremadamente simplificada... pero no quedarse en ella... sucesivas visionesms complejas sirven para mejorar y perfeccionar la solucin buscada.Aplicaciones - transmisin en alta tensin para el ferrocarrilPara la transmisin ferroviaria, fue ventajosa la alta tensin continua porque(con una misma tensin) al ser menores las cadas de tensin (por nopresentar cada reactiva), el radio de accin de la lnea de contacto es mayor,en consecuencia se requieren menos puntos de alimentacin para lograralimentar los trenes. 60. La alimentacin con tensiones alternas de 25 kV es la solucin que compitecon este sistema en corriente continua en 6 kV o ms.Filtros de armnicasLa conversin de alterna a continua y continua a alterna se hace conequipamiento electrnico, y aparecen en consecuencia fenmenos dearmnicas que deben ser controlados, se debe completar el sistema con filtrospara contener las armnicas.Los filtros ms simples estn formados por un reactor en serie con uncapacitor, a veces tambin hay un resistor en serie, en otros casos el reactortiene unresistor en paralelo, cada combinacin presenta distintocomportamiento, y ventajas que deben ser analizadas en cada particularaplicacin. CAPITULO 3PROCESOS ELECTROMAGNETICOS OSCILATORIOS Y DE CHOQUEIntroduccinLa construccin de instalaciones elctricas requiere adquirir equipamientoselctricos que deben seleccionarse entre los existentes en el mercado, engeneral no se construyen equipos especialmente para una dada instalacin,por lo tanto se inicia desarrollando estudios que tienden a fijar lascaractersticas que deberan tener estos equipos, y se verifican que stascaractersticas entren dentro de los rangos normales de produccin.Los estudios en cuestin (con distintas finalidades) reciben distintos nombres, yen ellos se trata de representar el funcionamiento normal del sistema elctrico 61. (flujo de potencia que determina las corrientes nominales), las condiciones decorrientes de falla (estudios de cortocircuito para determinar la capacidad deinterrupcin y los esfuerzos), los estados de sobretensin (estudios transitoriospara determinar los niveles de aislamiento).Sobretensiones y sistemas de puesta a tierraEn los sistemas elctricos, por distintas causas se presentan sobretensiones,que pueden producir colapsos de la aislacin y en consecuencia daos y/oprdida del servicio.La aislacin debe ser elegida econmicamente, sobredimensionarla implicaaumentos de tamao y peso de los cables y equipos, aumento de la resistenciaal flujo de calor (en consecuencia disminucin de las densidades de corrientesy del aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos.La aislacin debe estar dimensionada para soportar las solicitaciones queefectivamente se presentarn en servicio; resumiendo el prrafo anterior unulterior sobredimensinamiento no implica beneficio alguno.Las sobretensiones que se presentan dependen de factores externos a la red,de caractersticas de componentes de la red, y de caractersticas de diseo dela red.El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del diseo,en forma tal de lograr que las sobretensiones sean mnimas, evitandoconfiguraciones de la red que puedan causar sobretensiones, eligiendocomponentes adecuados por sus parmetros y formas de operacin, previendoy proyectando las protecciones oportunas. 62. Los valores de sobretensiones que se presentan estn relacionados con lascaractersticas de puesta a tierra del centro estrella del sistema elctrico,pudiendo ste estar conectado rgidamente a tierra o aislado o en condicionesintermedias conectado a tierra a travs de una impedancia (resistencia oreactancia).Origen de las sobretensionesHistricamente las sobretensiones se clasificaron por su origen, externas einternas, las primeras debidas a rayos, descargas atmosfricas y las segundasdebidas particularmente a maniobras en la red.Las solicitaciones en los equipamientos de un sistema elctrico se originan pordiversas causas y su estudio depende mucho del tipo de evento investigado.Se hacen estudios de sobretensiones, cuyo objetivo es obtener los valorescorrespondientes a los fenmenos transitorios, resultados que se utilizan parala especificacin de los equipos.Estos estudios se pueden realizar con programas de computadora que incluyenmodelos para clculo numrico que resuelve las ecuaciones diferenciales quecorresponden al sistema elctrico (EMTP ElectroMagnetic Transient Program ATP Alternative Transient Program).Anteriormente estos estudios se realizaban mediante modelos a escala,simuladores analgicos donde estn representados los elementos del sistemaelctrico (TNA Transient Network Analizer).Ya hemos visto que las sobretensiones pueden ser clasificadas por su origenen forma muy amplia en dos grupos: sobretensiones externas y sobretensionesinternas, respectivamente. Esta clasificacin es meramente acadmica y no 63. tiene en cuenta los intereses relacionados con la especificacin de losequipamientos, siendo ms adecuada otra clasificacin, asociada con el tiempode duracin y el grado de amortiguamiento de las sobretensiones. Basndoseen este concepto, por su forma y duracin, se clasifican en sobretensiones detipo atmosfrico, sobretensiones de tipo de maniobra y sobretensionestemporarias.Las sobretensiones atmosfricas estn caracterizadas por un frente de onda dealgunos microsegundos a pocas decenas de microsegundos. Una sobretensinde cualquier otro origen, que tenga caractersticas de frente de onda similares alas utilizadas para definir las sobretensiones atmosfricas, tambin se clasificacomo sobretensin atmosfrica.La figura 3.1 representa un ejemplo tpico de una sobretensin atmosfrica,obtenida en bornes de un transformador de un estudio de inyeccin desobretensiones en una subestacin, incluyndose, por lo tanto, el efecto de losdescargadores que limitan la amplitud de la sobretensin. 64. Se puede observar que la tensin resultante es unidireccional y con un picomximo bien definido.Las sobretensiones de maniobra resultan, principalmente por la apertura ycierre de circuitos y de fallas en el sistema elctrico.La figura 3.2 representa un ejemplo tpico de una sobretensin de maniobrafuertemente amortiguada, que corresponde a una simulacin de energizacinde una larga lnea de transmisin (alimentada de un extremo y abierta en elotro extremo).La figura 3.3 muestra un ejemplo tpico de una sobretensin de maniobraoscilatoria, debida a una simulacin de reconexin de carga en el sistema.Los ejemplos ms comunes de eventos que provocan sobretensiones demaniobra son energizacin y reconexin de lneas de transmisin, ocurrenciade fallas con desplazamiento del neutro y eliminacin de fallas, energizacin detransformadores y reconexin de carga. 65. Las sobretensiones temporarias se caracterizan, principalmente, por su largaduracin y picos de amplitud reducida. Estn asociadas comnmente amaniobras de reconexin de carga, ocurrencia de fallas con desplazamiento deneutro y energizacin de lneas en vaco.Las tres categoras de sobretensiones discutidas hastaaqu son,generalmente, objeto de estudios para la determinacin de las solicitaciones delos equipamientos de un sistema elctrico.Causas y efectosEn un sistema trifsico, equilibrado, la tensin hacia tierra es la tensin de faseSe denomina sobretensin a toda tensin, funcin del tiempo, que supera elvalor de cresta de la tensin ms elevada, que puede presentarsenormalmente.Una sobretensin fase-tierra se refiere al valor de cresta de la tensin simple 66. (valor de pico obtenido del valor eficaz de la tensin simple).Una sobretensin entre fases en valor relativo se indica en la formay se refiere tambin a(se usa la misma referencia que para la tensin simple, y se pone en evidenciael factorpara que el factor de sobretensin sea comparable a los fenmenos de lastensiones simples).Las causas de sobretensiones pueden ser varias, y se enumeran acontinuacin las ms frecuentes.Los cables de guardia o los conductores de fase pueden ser afectados pordescargas atmosfricas, en algunos casos la descarga incide en los cables deguardia y se propaga (arco inverso) a los conductores.Estas descargas son causa de ondas de sobretensin que se desplazan por laslneas del sistema, alcanzando las estaciones elctricas y solicitando loselementos de la red.Las ondas de sobretensin, llamadas ondas viajeras se reflejan y refractan enlos puntos de discontinuidad de la impedancia de las lneas variando su forma.Una nube cargada produce sobretensiones estticas de induccin capacitiva, yal desplazarse o descargarse la nube la sobretensin en la lnea se desplazaen forma anloga a las sobretensiones atmosfricas. 67. Efectos anlogos al frotamiento, debidos al viento (seco) producen cargaselectrostticas en las lneas.Pueden producirse contactos entre una parte del sistema de tensin inferior,con un sistema de tensin ms elevada, y en consecuencia se presentarnpeligrosas sobretensiones en el sistema de tensin inferior.Las vibraciones pueden producir condiciones de falla intermitente(cortocircuitos repetidos) y causar sobretensiones de importancia por carga decapacitancias.Las conexiones en autrotransformador en casos de falla del circuito, del ladoalimentacin, implican sobretensiones del lado carga que pueden serinadmisibles.Capacitancias e inductancias pueden producir condiciones de resonancia y enconsecuencia sobrecorrientes y/o sobretensiones, como generalmente hayncleos de hierro en muchos casos se pueden presentar fenmenos deferroresonancia.Las maniobras de interrupcin, son origen de sobretensiones, de mayor omenor importancia segn sea la forma de interrumpir del aparato, y lascaractersticas del circuito.El establecimiento de corriente en ciertos circuitos, el restablecimiento decorriente (durante una interrupcin) pueden dar lugar a sobretensiones.Las interrupciones bruscas de cargas, crean tambin sobretensiones endeterminados puntos del sistema.Acabamos de clasificar, en una forma detallada, por su origen lassobretensiones, en cambio analizando su duracin, se puede decir que son 68. transitorias (de breve duracin), temporarias (de duracin importante) opermanentes.Analizando su forma se reconocen como impulsivas o peridicas (defrecuencias bajas).La clasificacin por las caractersticas de duracin y forma es particularmenteimportante porque la normalizacin de ensayos, cuyo objeto es demostrar quelos equipos pueden soportar estas solicitaciones, se basa precisamente endicha clasificacin.As se justifican los ensayos con sobretensiones:- de frecuencia industrial, que simulan condiciones originadas en contactos,desconexin de cargas, resonancia, etc.- de maniobra, debidas a esta causa, y que se simulan con impulsos de tensinque crecen en tiempos de los 100 microsegundos y duran del orden de los1000 microsegundos.- de impulso, que simulan descargas atmosfricas que crecen en tiempos delorden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 - 100 microsegundos.Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen sontotalmente distintas, y en consecuencia los aparatos deben tenercaractersticas adecuadas para soportarlas.Es importante que el equipamiento no sufra daos ni envejecimientosprematuros por causa de estas sobretensiones.La amplitud de las sobretensiones est especialmente ligada a la conexin mso menos efectiva del neutro del sistema a tierra. 69. Si el sistema est aislado de tierra, en general las tensiones son elevadas yaque no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero,en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estticas.En casos de neutro aislado tambin los contactos con circuitos de tensinsuperior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensinsuperior, y su desconexin.En el diseo se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones depeligro, de contactos, de arcos intermitentes, se deben controlar que lassobretensiones por condiciones transitorias (desconexin de las cargas, etc.)por maniobras, sean moderadas.Las sobretensiones de origen interno estn ligadas a la tensin nominal delsistema a travs de algn coeficiente que depende de la puesta a tierra.En cambio, las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que nodepende de la tensin nominal del sistema, al menos en principio.En su propagacin por las lneas la amplitud de las sobretensiones quedalimitada por fenmenos de efecto corona, o por descargas en determinadospuntos.Para limitar el valor de estas sobretensiones, y proteger al sistema de lassolicitaciones debidas a descargas atmosfricas se instalan descargadores.A veces a los descargadores se les asigna la funcin de drenar tambin lassobretensiones de maniobra.La variedad de situaciones, y la gran cantidad de parmetros que definen lascaractersticas de inters, ha evidenciado particularmente para estos temas,conocidos como coordinacin de la aislacin, la importancia de lanormalizacin, veamos estos conceptos partiendo de lo general. 70. Normas - GeneralidadesNormalizacin y unificacin no son conceptos nuevos, sino se remontan a losorgenes de las primeras comunidades humanas en las cuales, casiinconscientemente los hombres comenzaron a utilizar un lenguaje comn(primeras unificaciones) y luego normas comunes de convivencia (primerasnormalizaciones).Hoy da en el campo industrial a las palabras "normalizacin" y "unificacin" seatribuye el siguiente significado:Normalizacin: se entiende el conjunto de aquellos criterios de ndole generalen base a los cuales deben ser proyectadas, construidas y ensayadas lasinstalaciones, las mquinas, los aparatos o los materiales objeto de las normasmismas, a fin de garantizar la eficiencia tcnica y la seguridad defuncionamiento.Unificacin: se entiende el conjunto de prescripciones que fijan para lamquina, el aparato o el material objeto de unificacin una estrecha gama detipos constructivos y de dimensiones entre los infinitos posibles a fin de reducirlos costos, de facilitar el aprovisionamiento de los repuestos y de permitir lareduccin de las reservas en almacn.Normalizacin y unificacin liberan a las iniciativas de todas aquellasmanifestaciones irracionales que no podrn producir ventajas ni a lacomunidad, ni a sus mismos promotores. Tales iniciativas pueden requeriralgn sacrificio a la libertad individual, pero este sacrificio debe ser evaluado enfuncin de las ventajas de carcter colectivo que se consiguen. 71. La normalizacin en el campo electrotcnicoEn campo internacional los trabajos de normalizacin electrotcnica soncompetencia del Comit Electrotcnico Internacional (IEC InternationalElectrotechnical Commission).Para obtener su finalidad el IEC publica recomendaciones internacionales(muchas de las cuales con el nombre de Normas Internacionales) queexpresan dentro de los lmites ms amplios posibles un acuerdo internacionalsobre los argumentos tratados.Tales recomendaciones estn destinadas a ayudar a los Comits Nacionalesen la elaboracin de las normas del propio pas, de manera de armonizar lasprescripciones tcnicas de las distintas naciones y facilitar los intercambios dematerial elctrico.Existe adems la Commission International de Reglamentation en vue delaprobation de lEquipment Electrique (CEEI).Este organismo esta limitado a pases europeos y ha asumido la funcin deformular prescripciones precisas para la construccin del material elctrico deuso comn generalmente adquirido y utilizado por usuarios inexpertos, a fin deproteger personas y cosas de los riesgos que puedan derivar del uso dematerial elctrico de calidad deficiente.En Argentina el rgano oficial que provee a la normalizacin es el IRAMInstituto Argentino de Racionalizacin de Materiales.Existe tambin una Asociacin Argentina de Electrotcnicos que publicnormas y reglamentos aplicables a instalaciones. 72. El Comit Electrotcnico Argentino CEA es el corresponsal del IEC enargentina y se ocupa de distribuir las normas IEC y de participar en lasdiscusiones en campo internacional.A modo de ejemplo veamos como es la normalizacin electrotcnica en Italia:El rgano oficial que en Italia provee a la normalizacin en el campo elctricoes el Comit Electrotcnico Italiano CEI fundado en 1909 por la AsociacinElectrotecnica Italiana AEI.Las atribuciones del CEI son las siguientes:Estudiar todos los problemas de carcter cientfico y tcnico que se refieren alos materiales, las mquinas y los aparatos elctricos como tambin laejecucin de las correspondientes instalaciones.Compilar las normas que conciernen la produccin, la instalacin, el ensayo, yel servicio de los materiales, mquinas e instalaciones antes citadas.Asegurar en el mbito de la propia competencia la conexin con anlogosentes extranjeros e internacionales y con el ente nacional de unificacin.La unificacin en el campo electrotcnicoEl rgano que tiene la funcin de unificar en Argentina tambin es el IRAM.Sigamos comentando el caso Italiano, que presenta particularidades distintas.El rgano cuya funcin es la unificacin dimensional en el campo electrotcnicoen Italia es el UNEL (Unificazione Elettrotecnica)El UNEL tiene los siguientes objetivos:Tcnicos: aligerar el trabajo de las oficinas de proyecto de las fbricas, mayorrapidez de construccin de los materiales. 73. Organizativos: una ms racional produccin y en consecuencia un notableahorro de tiempo en la ejecucin de los trabajos.Econmicos: perfeccionamiento del proceso productivo, consiguiente reduccinde costos, mejoramiento de la calidad de los materiales, expansin de lasventas.El rgano nacional que en Italia se ocupa actualmente de unificacin en campogeneral excluido el elctrico es el UNI (Ente Nazionale Unificazione).Los rganos de ControlEn la Argentina el IRAM tambin se ocupa de la funcin de control, utilizandolos servicios de distintos laboratorios y en particular de los laboratorios de losfabricantes.La liberacin de trabas aduaneras, y cambios comerciales que caracterizaronnuestro mundo de fin de siglo, generaron una invasin de productos muyeconmicos pero de baja calidad, que cumplen algunas normas en formarestringida (en rigor debe decirse no cumplen).La iniciativa de evitar la penetracin en el mercado de estos productos,particularmente destinados a los usuarios comunes que nada saben de calidady normas, ha delegado a la Aduana la funcin de vigilancia.As es que la importacin de productos electrotcnicos debe ser acompaadade declaracin de normas que los productos satisfacen, y eventualmente conintervencin de ciertos institutos la correspondiente verificacin.Es obvia la buena intencin de esta iniciativa, y la dificultad de una gilimplementacin en el breve plazo. 74. En los pases altamente industrializados existen institutos que se ocupan de lamarca de calidad, en Italia por ejemplo:Instituto Italiano del Marchio di QualitaEste instituto tiene la funcin especifica de garantizar la calidad, y en modoparticular la seguridad del material y de los aparatos elctricos con referencia alos usuarios, para eliminar del mercado el material deficiente.Controla si los productos para los cuales es solicitado el uso de la marcacorresponden a lo prescrito por las normas CEI y las tablas UNEL; concede alfabricante el uso de una marca para aquellos productos de los cuales haasegurado la conformidad; vigila adems que estos conserven en el curso de laproduccin y en el mercado aquellas caractersticas tcnicas que le valieronpara la concesin.Para comprobar la calidad y caractersticas de los productos, es necesarioensayarlos, en Italia existe entre otros institutos el CESI, que se ocupa derealizar las pruebas.Centro Eletrotecnico Sperimentale Italiano (CESI)La finalidad del CESI es poner a disposicin de la industria un Laboratoriocapaz de realizar pruebas de carcter elctrico que sirvan tanto para eldesarrollo de aparatos prototipo como para emitir certificados oficiales de losensayos realizados.Este organismo trabaja especialmente en el campo de tensiones y potenciasmuy superiores a las del Instituto Italiano del Marchio di Qualita.Las normas de Ley sobre las instalaciones elctricasLas leyes que se ocupan directamente de estos problemas aun no han surgidocon solidez suficiente en nuestro pas. 75. Algunas leyes hacen referencia a condiciones generales de seguridad, enparticular debe destacarse la ley de Higiene y Seguridad en el trabajo que citael reglamento de la AEA.Hemos comentado el intento de impedir la penetracin en el mercado desde elexterior de productos no cubiertos por normas, la exigencia del cumplimientode la norma IRAM es la condicin de calidad que se est difundiendo en elpas.La aislacin y las normasLos conceptos ligados a las normas y unificaciones tratados deben servir deintroduccin al anlisis de las caractersticas de aislacin que nos interesanexaminar para los sistemas y aparatos elctricos.La razn es que se ha desarrollado un enorme trabajo de normalizacin desdeque se entendi la enorme importancia de las caractersticas de la aislacin enlos sistemas elctricos.Sin duda la aislacin es uno de los temas que ms afecta el costo de lasinstalaciones elctricas y condiciona los progresos.Comparacin de las sobretensionesLa figura 3.4 muestra una comparacin entre la duracin de los distintos tiposde sobretensiones que se presentan en el sistema elctrico.- La tensin mxima que puede presentarse en modo permanente, define latensin nominal de los equipos.- Las sobretensiones temporarias, resultan de cambios de configuracin de lared, y se presentan ante prdidas de carga, resonancias, fallas a tierra. Suduracin es del orden del tiempo de actuacin de los reguladores o lasprotecciones. 76. El nivel de las sobretensiones depende de la configuracin de la red y del puntoconsiderado, y en general es tanto menor cuanto ms mallada es la red ycuantas ms puestas a tierra de neutros se tengan.- Las sobretensiones de maniobra se presentan ante los cambios bruscos deconfiguracin de la red, asociadas a cierres y aperturas de interruptores o afallas.Se trata de rpidos transitorios, que dependen de la configuracin de la red yde otras circunstancias que obligan a considerarlos aleatorios.Sepresentanpor interrupciones decargareactiva, de lneas detransformadores, por fallas, durante el cierre y el recierre, etc.El valor de estas sobretensiones aumenta por la carga residual de las lneas, opor reencendidos durante las interrupciones.- Sobretensionesatmosfricassepresentan particularmente en redesexpuestas, ante fallas del blindaje dado por el hilo de guardia y la sobretensinpuede provenir de una lnea o producirse en la estacin, que son las partes dela red elctrica expuestas a la atmsfera.La descarga en la estacin es poco probable, por la superficie relativamentereducida, en comparacin a la lnea, es decir que es ms probable que lassobretensiones lleguen desde las lneas.La descarga puede ser directa pero un buen blindaje garantiza contra esteefecto. Tambin puede producirse contorneo inverso de la cadena deaisladores. Esta situacin es muy poco probable que se presente en la estacinpor la baja resistencia de puesta a tierra de la misma, pero es probable en lalnea (porque la resistencia de tierra de los soportes es elevada), y de esta 77. manera se originan las sobretensiones atmosfricas que penetran a laestacin.Las lneas de media tensin se realizan sin cables de guarda, este no es deutilidad debido a los aisladores que presentan baja aislacin, respecto de lastensiones correspondientes a descargas atmosfricas, y toda descarga esacompaada por contorneo de los aisladores.Las sobretensiones atmosfricas, conducidas por las lneas, sufren en laestacin reflexiones mltiples que deben ser evaluadas a fin de comprobar quelos valores alcanzados se mantienen bajo control.Mientras que las sobretensiones atmosfricas afectan una sola fase, o afectana todas las fases en forma similar, las sobretensiones de maniobra afectan ados o las tres fases simultneamente; es entonces importante el estudio de suefecto sobre la aislacin fase-fase.Cada punto del sistema elctrico se caracteriza por distintos valores desobretensiones de los distintos tipos, modernamente estos valores se definenen forma estadstica.Las sobretensiones temporarias en cambio no pueden ser drenadas por suexcesiva duracin.Los valores que deben soportar las aislaciones se eligen entre ciertos valoresnormales coordinados y propuestos por las normas IEC y que se observan enla figura 3.5 destacados por un punto que muestra la coordinacin posible entretensiones mxima (y normal), sobretensiones de maniobra y sobretensionesatmosfricas. 78. Caractersticas de las sobretensiones atmosfricasLa observacin ha demostrado que la corriente debida a los rayos presenta encada caso caractersticas distintas. El nico elemento comn a todos los rayos 79. es la forma de la corriente: no es oscilatoria, es unidireccional es decir de unanica polaridad.El comportamiento tpico de la corriente de un rayo se indica en la figura 3.6.En la onda de corriente se pueden distinguir:el frente, lapso que va desde el inicio de la onda a su valor de pico;la cola, parte que sigue al frente.En general las magnitudes caractersticas de la onda de corriente seencuentran dentro de los siguientes lmites:Duracin del frente: 0.5 a 20 m s;Duracin del hemivalor en la cola: 15 a 90 m s;Duracin de la cola: 300 a 300000 m sLa amplitud de la corriente de descarga alcanza slo en un pequeo porcentajevalores del orden de 100 a 150 kA, en el 80% de los casos la corriente dedescarga es inferior a 40 kA.La onda de corriente est relacionada con la onda de tensin a travs de laimpedancia que ven en su avance.Propagacin de las sobretensiones atmosfricasEn el caso de lneas areas la velocidad de propagacin alcanza valoresalrededor de 300 m/m s, es decir prcticamente la velocidad de la luz, mientrasque la impedancia caracterstica 80. (Donde l y c son la inductancia y la capacidad por unidad de longitud) es unvalor bastante constante alrededor de 400 a 600 W.En el caso de cables la velocidad de propagacin resulta de 150 a 160 m/m s yla impedancia caracterstica alcanza valores ms bajos, entre 30 a 50 W .El comportamiento del fenmeno se puede sintetizar en dos casos quedependen de lo que se produce en el momento en que la sobretensin alcanzala primera cadena de aisladores:si la amplitud de la sobretensin es menor de la que provocara un arcoelctrico en la cadena de aisladores, la onda se propaga a lo largo de la lneamanteniendo su forma y termina alcanzando los aparatos que se encuentran enla extremidad de la lnea (figura 3.7a). 81. si la sobretensin alcanza una amplitud tal de provocar el arco en la cadena deaisladores, la corriente del rayo se descarga hacia tierra y la onda de tensin setrunca. Esta onda truncada se propaga alcanzando los aparatos ubicados en laextremidad de la lnea (figura 3.7b).Los dos tipos de fenmenos considerados permiten individualizar dos formastpicas de sobretensiones de origen atmosfrico que tienen caractersticascomo se indica en la figura 3.8a-b onda plena y cortada respectivamente. 82. Estas sobretensiones pueden solicitar peligrosamente los aislantes de lasmquinas (transformadores en particular) y de los aparatos con consecuenciasa veces graves.Un dato bsico para el diseo de una lnea de media y alta tensin frente a estetipo se sobretensiones, es la frecuencia de cada de rayos por unidad desuperficie y por unidad de tiempo. Esta frecuencia se expresa en nmero derayos por km y por ao, en la figura 3.8c se muestran las densidadesceranicas para las distintas zonas.Este valor es funcin del nivel isocerunico de la zona, que es el valor mediode los das de tormenta al ao en dicha zona, en la figura 3.8d se muestras 83. estas curvas de niveles. Los niveles y densidades cerunicas continentales dela Repblica Argentina se obtienen del Anexo B de la Norma IRAM 2184-1-1.Deformacin de las ondas por causa de bobinas y capacitoresUna sobretensin que viaja hacia el extremo de una lnea abierta se refleja,duplicando su valor, y retorna superponindose a la onda incidente.Si en el extremo de la lnea hay un capacitor la onda reflejada tiene un frentesuavizado (crece exponencialmente) por el fenmeno de carga del capacitorfigura 3.9. 84. Una lnea con intercalada una reactancia, o dos lneas de distintas impedanciasseparadas por una reactancia, esta ultima produce la modificacin de la ondaque se propaga, en parte reflexin de la onda con frente abrupto, y en cambiola onda que prosigue es con frente suave.En el pasado se ponan bobinas con el objeto de proteger de sobretensionesviajeras los equipos ubicados a continuacin, obsrvese que en cambio la lneaes exigida con la onda reflejada de valor elevado.Otra posibilidad es la existencia de un capacitor en un punto de la lnea, laonda que continua se suaviza, y la reflejada tambin figura 3.10.La explicacin de estos fenmenos requiere la resolucin de las ecuaciones depropagacin en lneas, por el momento es suficiente saber que estos estudiosno son inmediatos ni simples. 85. Caractersticas de los aislamientosLos aislamientos, de una forma general, abarcan las distancias en aire, losaislamientos slidos y los inmersos en lquido aislante. De acuerdo con lafinalidad a que se destinan, se los clasifica como aptos para uso externo o usointerno, conforme se los utilice en instalaciones sujetas a agentes externos,tales como humedad, polucin, intemperie, etc., o no respectivamente.Adems de esa clasificacin, de orden general existe otra de mayorimportancia, desde el punto de vista del aislamiento, que es aquella quediferencia los aislamientos entre autoregenerativos y no regenerativos.Los aislamientos autoregenerativos son aquellos que tienen capacidad derecuperacin de su rigidez dielctrica, despus de ocurrida una descarga(ruptura dielctrica) causada por la aplicacin de una sobretensin.En una subestacin, los aislamientos autoregenerativos de los componentespueden ser clasificados en dos grupos, dependiendo del tipo de utilizacin. Elprimer grupo es el de los aislamientos de los equipamientos, tales como: parteexterna de los aisladores de los transformadores de potencia, reactores ytransformadores de medicin y parte externa de los equipamientos de 86. maniobra y de medicin (interruptores, seccionadores y divisores capacitivosde tensin). Las partes internas de esos equipamientos, son de tipo noregenerativo y, por lo tanto, los equipamientos citados anteriormente poseenambos tipos de aislamientos.El segundo grupo de aislamientos es el que se refiere, solamente, ainstalaciones propiamente dichas. En este grupo estn incluidos losaislamientos en aire, correspondientes a la distancia conductorestructura,barrasestructura, parte con tensin del equipamientoestructura y conductorconductor, los soportes aisladores, las cadenas de aisladores y las columnasaislantes de las bobinas de bloqueo. Todos estos son regenerativos.Los aislamientos no regenerativos son aquellos que no tienen capacidad derecuperacin de su rigidez dielctrica, despus de la ocurrencia de unadescarga causada por la aplicacin de una sobretensin. Habiendo la descargadaado parcial o totalmente el aislamiento no regenerativo. Los elementos msimportantes de una subestacin estn constituidos por este tipo de aislamiento,principalmente en su parte interna, como los transformadores de potencia y losreactores.Principios bsicos de coordinacin del aislamientoSe denomina coordinacin del aislamiento al conjunto de procedimientos,utilizados principalmente para la especificacin de los equipamientos, que tienepor objetivo fundamental la reduccin, a nivel econmico y operacionalaceptable, de la probabilidad de fallas en los equipamientos y falta desuministro de energa, teniendo en cuenta las solicitaciones que pueden ocurriren el sistema y las caractersticas de los dispositivos de proteccin.Para efectuar la coordinacin del aislamiento se acta en dos direcciones: 87. Las mquinas y los aparatos se construyen de manera que sean capaces desoportar sin daos las solicitaciones provocadas por las sobretensiones de tipoatmosfrico o de origen interno (maniobra) contenidas dentro de ciertos niveles,Con oportunosaparatos de proteccin (descargadores)y adoptandoparticulares criterios de construccin de las instalaciones, se trata de contenerlas sobretensiones dentro de los niveles tolerables para las mquinas y losequipos.Las solicitaciones elctricas se caracterizan por una magnitud y una duracin yestn, normalmente, asociadas a una probabilidad de ocurrencia.Coordinacin de la aislacin (relacin entre valores)Con este nombre se trata la seleccin de la capacidad de soportar las distintassolicitaciones dielctricas que deben tener materiales, equipos e instalacin enfuncin de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerandotambin las caractersticas de los dispositivos de proteccin disponibles.El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensinmxima que se presenta en un punto de la red y elegir, con carcterampliamente emprico, una tensin de ensayo que presente un margen deseguridad conveniente.En muchos casos la eleccin del nivel de aislacin es hecha simplemente enbase a experiencia adquirida en redes anlogas.Una forma ms elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar elcarcter de fenmeno aleatorio que tienen las sobretensiones. 88. Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de laeconoma y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones quecausen daos al equipo o afecten la continuidad del servicio.No es econmico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad talesque permitan soportar sobretensiones excepcionales.Se admite que an en un material bien dimensionado puedan producirse fallasy el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterioeconmico basado en costo y continuidad del servicio.La coordinacin de la aislacin est esencialmente basada en limitar el riesgode falla, en lugar de fijar a priori un margen de seguridad.Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 % deseguridad contra fallas.La aislacin puede ser externa, en aire atmosfrico o de superficies en contactocon la atmsfera sometidas a la influencia de condiciones atmosfricas,polucin, humedad, etc., interna, slida, lquida o gaseosa, protegida de lainfluencia atmosfrica.La aislacin externa puede ser para interior, protegida de la intemperie, o paraexterior.Se dice que una aislacin tiene capacidad de regeneracin cuando despus deuna descarga disruptiva recupera ntegramente sus caractersticas aislantes.La capacidad de regeneracin distingue fundamentalmente las aislacionesgaseosas, de las slidas, una perforacin del dielctrico, para estas ltimas, esun dao permanente, en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire)una vez terminada, y transcurrido cierto tiempo, generalmente breve, no afectalas caractersticas de la aislacin. 89. En consecuencia, mientras que las aislaciones en aire pueden fallar, lasaislaciones slidas no deben fallar; en otras palabras, los puntos dbiles de lainstalacin deben tener capacidad de regeneracin.Las caractersticas de aislacin de un aparato estn ligadas a:- La tensin nominal de la red, valor eficaz de la tensin entre fases a la que serefieren algunas caractersticas de funcionamiento de la misma.- Tensin ms elevada de la red, que aparece en un instante cualquiera y encualquier punto de la red en condiciones de explotacin normales. Este valorno tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias(debidas a fallas o desconexiones).El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensin ms elevadasea mayor o igual a la tensin ms elevada de la red en la cual se utilizar elmaterial.Mientras que por encima de los 100 kV la tensin ms elevada de la redcoincide con la del material utilizado, por debajo de dicha tensin estos valorespueden ser distintos, lgicamente la tensin ms elevada de la red debe serigual o menor de la del material.Veamos algn ejemplo:La red de 132 kV, tiene una tensin mxima de servicio de 145 kV, por lo tantolos equipos que se utilizan en ella tienen tensin nominal 145 kV, no habiendoobjecin en utilizar equipos de mayor tensin (170 kV) pero que cuestan ms.En media tensin la industria produce equipos de tensiones nominales de 12kV, y 17.5 kV segn el origen (pas) de los equipos. Nuestras redes de mediatensin son de tensin nominal 13.2 kV, y con tensin mxima de servicio de 90. 14.5 kV y por lo tanto slo admiten el uso de equipos de 17.5 kV (o de 24 kV)pero no de 12 kV.Se dice que el material es sometido a una sobretensin cuando la tensin enfuncin del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra, y entre fases quecorresponden a la tensin ms elevada del material.Las sobretensiones son siempre fenmenos transitorios.Un sistema correctamente realizadodebe evitar quese produzcansobretensiones debidas a fallas de contacto, con sistemas de tensin superior,fallas intermitentes, conexiones enautotransformador, condiciones deferroresonancia.Las nicas sobretensiones que se presentan son entonces:- Tensin a frecuencia industrial en condiciones normales.- Sobretensiones temporarias.- Sobretensiones de maniobra.- Sobretensiones atmosfricas.Para las aislaciones sujetas a contaminacin o envejecimiento, debeconsiderarse que el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo dela vida vara.Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento.Fenmenos particularesUna onda viajera mantiene prcticamente las mismas caractersticas (forma) encualquier punto de la lnea, y tambin en funcin del tiempo, hasta que no severifique una discontinuidad en los parmetros de la lnea misma.Es necesario examinar que ocurre cuando las ondas viajeras de tensin ycorriente alcanzan estos puntos singulares. 91. En cada instante se cumple la relacinsiendo Z la impedancia caracterstica de la lnea.En los puntos de discontinuidad se verifican entonces fenmenos de reflexin yrefraccin: el primero de estos fenmenos admite que parte de la ondaincidente sea rechazada hacia el punto de origen, mientras que el fenmeno derefraccin se refiere a aquella parte de la onda que prosigue su camino en elsentido en que se origin.El caso de una lnea area conectada a un cable es un ejemplo de un puntosingular, debido a que en ese punto se tiene un cambio en el valor de laimpedancia caracterstica.Fenmenos de resonanciaEn la mayor parte de los casos los fenmenos de resonancia se presentan acontinuacin de fallas, y en particular con la interrupcin de los conductores.Un caso frecuente que puede verificarse en las instalaciones se muestra en lafigura 3.11 donde se considera una lnea de transmisin que alimenta untransformador en vaco, en la cual se tiene la interrupcin de un conductor. 92. Las capacidades C1 y C2 representan la capacidad a tierra de los tramos deconductor interrumpido, se desprecia la capacidad existente entre el conductorinterrumpido y el sano y entre ste ltimo y tierra.Estas simplificaciones son lcitas para un examen cualitativo de los fenmenosque consideramos.Considerando en R todas las resistencias del circuito y de los elementosdisipativos en l contenidos, se tiene la siguiente ecuacin:las condiciones de resonancia se presentan cuando:Los efectos que los fenmenos de resonancia pueden provocar se debenestudiar considerando la sobretensin entre bornes del transformador y entrelos conductores de la lnea, que pueden dar lugar a arcos externos, o peor,perforacin de los aislantes lquidos o slidos en el transformador.Fenmenos de ferroresonanciaFenmenos ms complejos que los anteriormente descriptos se puedenpresentar por la presencia de circuitos magnticos saturables.Para ver este fenmeno supongamos un generador de tensin alterna quealimenta un capacitor C en serie con una inductancia L con ncleo de hierro, seconsideran despreciables la resistencia hmica del circuito y los fenmenosdisipativos del ncleo magntico y del capacitor. 93. Para cada condicin de funcionamiento (valor de la corriente) la tensin dealimentacin debe ser igual a la suma de las tensiones en bornes del capacitory de la inductancia:La tensin en bornes de la inductancia no es proporcional a la corriente, es unafuncin de sta segn la caracterstica de magnetizacin .La tensin en bornes del capacitor es en cambio proporcional a la corriente y lapendiente de esta caracterstica es funcin de la capacidad (a un aumento decapacidad corresponde a una disminucin de la pendiente).Se puede obtener la siguiente relacin:y de esta expresin mediante un mtodo grfico determinar la solucin delproblema.La recta que representa la tensin en bornes del capacitor cruza lacaracterstica de la inductancia en dos puntos que corresponden a doscondiciones estables de funcionamiento (P y P). De estos dos puntos el defuncionamiento normal es P que se encuentra en el primer cuadrante (verfigura 3.12). 94. Si el punto P se encuentra prximo al codo de la caracterstica de lainductancia, por efecto de un brusco aumento de la tensin de alimentacin (DV), o por una brusca disminucin de la capacidad del circuito (cambio de lapendiente), puede ocurrir que este punto se desplace de modo que las doscaractersticas no se cruzan ms en el primer cuadrante, sino slo en el puntoP del tercer cuadrante.En este caso la corriente del circuito cambia su fase desplazndose enadelanto de un cuarto de perodo (prevalece el efecto capacitivo).Para este punto corresponden valores muy elevados de tensin tanto en elcapacitor como en la inductancia y son estas las condiciones que en los casosprcticos son particularmente peligrosas. 95. CAPITULO 4EL CAMPO ELECTRICOIntroduccinEl estudio del campo elctrico es de mucha importancia cuando se encaran losproblemas de alta tensin, la mayora de los fenmenos de inters estn muyligados al campo elctrico.Repasemos como se determina el campo elctrico, entre dos cargas elctricasse presenta una fuerza figura 4.1:siendo:F: fuerza en (N)r1: vector unitario (versor) en direccin de la recta que une las cargas, y que dasentido a la fuerzaQ1, Q2: cargas elctricas puntuales (Culomb)e 0: permitividad del vaco = 8.859 10-12 (F/m)r: distancia entre las cargas (m)Si la carga Q2 es una pequea carga de prueba positiva, se define la intensidaddel campo elctrico (en Newton / Culomb = Volt / m): 96. Si la carga Q1 es positiva, y como la carga de prueba tambin lo es, las cargasse repelen, la fuerza es en la direccin de la recta que une las cargas, en elsentido de alejarlas, y este es el sentido del campo tambin.Campo entre dos esferasSi hay varias cargas, consideradas individualmente en un punto nos dan varios(vectores de) campos, el campo total resultante puede obtenerse por sumavectorial de los campos componentes individuales en cada punto, este es elllamado principio de superposicin figura 4.2.En esta forma puede resolverse el campo entre dos esferas (con cargas dedistinto signo), la primera aproximacin es suponer que las cargas sonpuntuales, en el centro de las esferas.Las superficies equipotenciales son esfricas, sus centros estn ubicadossobre la recta de simetra, un par de estas superficies puede representar lasesferas reales, al hacer esto se nota que las cargas puntuales usadas paracalcular, no son concntricas a estas esferas.El espintermetro a esferas, fue utilizado durante mucho tiempo comoinstrumento de determinacin de la tensin.Mientras la distancia entre las superficies de las esferas es del orden deldimetro, el campo en la proximidad del eje (que une los centros) es 97. sensiblemente uniforme, cuando el campo alcanza el valor critico se produce ladescarga. Para cada valor de distancia entre las superficies de las esferas, seprodu