La distancia con capacidad de soportar las tensiones aplicadas está dada por las expresiones que veremos a continuación y son valores mínimos que se deben respetar en la fase de proyecto y posteriormente en el montaje.

Recordamos que estas distancias no son verificadas por ensayos, básicamente por las dificultades de su materialización.

Determinaremos las distancias para instalaciones de 132 y 500 kV.

tensión nominal y máxima Un = 132 kV ; Umax = 145 kV

tensión de ensayo a frecuencia industrial Uefi = 275 kV

La distancia fase tierra que soporta la Uefi está dada por:

d = Uefi / Ek [1]

Siendo Ek el gradiente en kV/m del espacio en aire que soporta la tensión.

Para frecuencia industrial 50/60 Hz se tiene.

Ek = 300 kV/m ; d1 = 275 kV / 300 kV/m = 0.92 m

La distancia para soportar el impulso atmosférico con una probabilidad de descarga del 50% es:

d2 = U50% / Ek [2]

Siendo Ek = 560 kV/m para impulso atmosférico cuando entre electrodos corresponde un factor de espacio k de valor típico 1.15. El factor de espacio define la forma de los electrodos y se lo define para los impulsos de maniobra.

Para una probabilidad de soportar en el ensayo de aislación el impulso atmosférico del 90%, descarga 10% se tiene:

U50% = U90% * (1.0 + 1.3 * SIGMA) [3]

Siendo SIGMA la desviación típica, que para sobretensión atmosférica es de 3 %. La distancia es:

d2 = 650 kV * (1.0 + 1.3 * 0.03) / 560 kV/m = 1.20 m

Se observa que la distancia d2 es mayor que la d1 y en consecuencia la distancia fase tierra está definida por la sobretensión atmosférica.

Esta distancia es capaz de soportar una sobretensión de maniobra de:

U50% = 500 * K * d^0.6 [4]

Si el factor de espacio es el normal (k = 1.15 conductor/plano) tenemos:

U50% = U90% * (1.0 + 1.3 * SIGMA) [5]

Para sobretensiones de maniobra SIGMA vale 6%.

Siendo d = 1.20 se tiene: U50% = 500 * 1.15 * 1.2^0.6 = 641 kV

La sobretensión de maniobra soportable con probabilidad 90 % será:

U90% = 641 kV / (1.0 + 1.3 * 0.06) = 597 kV

Las sobretensiones de maniobra se refieren al valor de pico de la tensión fase tierra máxima de servicio.

Uref = Umax * raíz de (2 / 3) ; Uref = 145 kV * 0.81 = 118 kV

Resulta entonces para las sobretensiones de maniobra un límite de:

U90% / Uref = 579 / 118 = 5

Este valor es superior a las sobretensiones de maniobra que se pueden presentar en un sistema de 132 kV (comprendidas entre 3 y 4) y en consecuencia la instalación está dimensionada por la sobretensión atmosférica.

La aislación fase-fase debe soportar una maniobra fase-fase que se determina aplicando las mismas fórmulas pero con un factor k = 1.4 que corresponde a conductores paralelos.

U50% = 500*1.4*1.2^0.6 ; U90% = U50% / (1.0+1.3*0.06) = 726 kV

Que en valor relativo y expresado como múltiplo de raíz de 3 (como indica la norma IEC 71) resulta:

U90% / Uref = 726 / 118 = 6.15 = 3.55 * raíz de 3

En situaciones particulares de movimiento de conductores por acción del viento o del cortocircuito, las distancias obtenidas pueden sufrir reducciones que son admisibles por ser éstas condiciones excepcionales.

A causa del viento la distancia fase-tierra puede disminuir, se considera que la distancia mínima debe soportar la tensión máxima fase-tierra, teniendo en cuenta si el sistema esta rígidamente puesto a tierra (factor de puesta a tierra 0.8) o aislado de tierra (factor de p.a.t. 1.0).

Para un sistema puesto a tierra resulta:

dmin.viento = Umax * Fpat / Ek = 145 kV * 0.8 / 300 kV/m = 0.38 m

La distancia fase-fase se considera que no varía con el viento ya que los conductores se mueven sincrónicamente (en el mismo sentido).

A causa del cortocircuito en cambio los conductores se acercan entre sí y a tierra, la distancia fase tierra debe soportar una tensión del 60 % de la tensión de ensayo de frecuencia industrial.

d = 0.6 * 275 kV / 300 kV/m = 0.55 m

La distancia fase-fase en cambio se considera que debe soportar una sobretensión dinámica del 120 % de la tensión máxima Umax.

d = 1.2 * 145 kV / 300 kV/m = 0.58 m

Nos queda por determinar la distancia de seguridad (distancia de guardia o de mantenimiento).

Se incrementa la distancia d2 con un factor.

Para tensiones de ensayo de impulso atmosférico de 750 kV o más el factor es 1.15. Por debajo de 250 kV el factor es 1.25 o 1.30. Y entre 250 kV y 750 kV se interpola entre 1.25 y 1.15.

En nuestro caso:

ds = d2 * (1.15 + 0.10 * (750 - Ueia) / (750 - 250) ) =

1.20 * (1.15 + 0.10 * 100 / 500) = 1.41 m

tensión nominal y máxima Un = 500 kV ; Umax = 525 kV

tensión de ensayo a impulso de maniobras Uem = 1175 kV

tensión de ensayo a impulso atmosférico Ueia = 1550 kV

tensión de ensayo fase fase ueff = 1800 kV

La distancia fase tierra que soporta la Uem se determina aplicando las fórmulas [3] y [4]

Se considera que Uem corresponde a U90%.

U50% = Uem * (1.0+1.3*0.06) = 1175 kV * (1.0+1.3*0.06) = 1267 kV

d1 = (U50% / (500*k))^(1/0.6) = (1267 / (500*1.15))^(1/0.6) = 3.73 m

La distancia para soportar el impulso atmosférico se determina aplicando las fórmulas [3] y [2]

U50% = 1550 kV * (1.0 + 1.3 * 0.03) = 1610 kV

La distancia es:

d2 = 1610 kV / 560 kV/m = 2.88 m

Nótese que la distancia ha quedado determinada por la tensión de maniobra, esto ocurre con los valores normalizados por arriba de los 300 kV de tensión nominal.

La distancia d1 es capaz de soportar una tensión de frecuencia industrial en base a la fórmula [1] de:

Uefi = d1 * 300 kV/m = 3.73 m * 300 kV/m = 1120 kV

La distancia fase-fase se determina con las fórmulas [4] y [5] y con un factor de espacio k = 1.4 que corresponde a conductores paralelos.

Se tiene en cuenta que Ueff corresponde a U90%, entonces se determina U50% que es:

U50% = 1800 * (1.0 + 1.3 * 0.06) = 1940 kV

d3 = (U50% / (500*k))^(1/0.6) = (1940/(500*1.4))^(1/0.6) = 5.47 m

dmin.viento = Umax * Fpat / Ek = 525 kV * 0.8 / 300 kV/m = 1.40 m

Por cortocircuito la distancia fase-tierra se determina como el 60 % de la distancia de la sobretensión de maniobra.

d5 = 0.6 * d1 = 0.6 * 3.73 m = 2.23 m

La distancia fase-fase en cambio se determina para soportar el 120 % de la tensión máxima Umax.

d = 1.2 * 525 kV / 300 kV/m = 2.10 m

La distancia de seguridad (distancia de guardia o de mantenimiento) se determina para una tensión de maniobra incrementada en un 15 %, y con una probabilidad de ser soportada del 90 %.

ds = (U90% * (1.0 + 1.3 * SIGMA) / (500 * k))^(1/0.6)

ds = (1175 * 1.15 *(1.0 + 1.30 * 0.06) / (500 * 1.15))^(1/0.6)

ds = 3.39 m

Determinar las tensiones de ensayo correspondientes a una dada tensión nominal / máxima del sistema.

Determinar las distancias correspondientes entre distintos componentes (fases, tierra) y en distintas condiciones (viento, cortocircuito).

Determinar la influencia de las formas de los electrodos, y comparar estos con las componentes reales de la estación.

Por ejemplo, siendo la tensión máxima 145 kV se tiene:

- tensión de referencia para sobretensiones 118 kV

- tensión de ensayo a frecuencia industrial 275, 230, 185 kV

- tensión de ensayo a impulso 650, 550, 450 kV

Entre los valores propuestos de tensiones de ensayo se debe optar por una de ellas, en la medida que se estudie mas el funcionamiento del sistema se puede optar por los valores menores, estos en rigor corresponden a sistemas rígidamente puestos a tierra sin generación en esa tensión, de manera que no puedan presentarse ciertas fallas (oposición de fase), lógicamente a menor aislacion corresponde menor costo que compensa el esfuerzo de estudio (o el mayor riesgo).

Elegido el valor de 550 kV para ensayo de impulso, surgen los factores de espacio y distancia correspondiente

espacio punta plano, factor 530, distancia 1.08 m.

espacio conductor punta inferior de 3 m de altura, 625, 0.93 m.

El espacio punta plano no es fácil encontrarlo en el diseño de la estación, mientras el espacio conductor punta inferior, si se piensa en un soporte de aislador, que sostiene la barra, conductor, se lo ha esquematizado...

Diseñar (planta y corte) un campo de una estación que corresponde a un esquema adoptado, por ejemplo doble juego de barras con barra de transferencia.

Propuesto el diseño, controlar los puntos críticos y verificar las distancias. Los ejes de las obras deben ser representados con medidas enteras (base al sistema de medidas, para el caso sistema métrico decimal) y a lo sumo puede aceptarse la media unidad (0.5 m).

Observar el riesgo de reducir las distancias eléctricas (en un punto) al valor entero por debajo del calculado inicialmente.

El cable de guarda, o puntas pararrayos, se instalan sobre la obra para protegerla de descargas atmosféricas.

Las ubicaciones de los elementos de protección se determinan con distintos criterios, uno de ellos es el de Langher, que para cierta posición determina un área de protección.

Para un diseño dado realizar una protección minimizando cantidades y alturas.

El criterio de disponer las protecciones no tiene en cuenta las características estadísticas de los rayos.

Un criterio mejor es el electrogeométrico, aplicar estos conceptos al esquema anterior y observar las situaciones críticas.

Las descargas atmosféricas se distribuyen al azar sobre la superficie de la tierra.

Como cada "objeto", línea o estación eléctrica, tiene cierta superficie tiene entonces cierta probabilidad de ser alcanzada.

Una descarga puede alcanzar la estación por impacto directo sobre ella o por propagación desde la línea, para lo cual debe caer no demasiado lejos, y además debe producir arco inverso.

Evaluar la probabilidad que se tiene de que la descarga alcance la estación, y las líneas a distintas distancias de la misma.

En la zona norte de Buenos Aires se presentan 5 descargas por km2 año.

La estación mide 100 m x 50 m, la línea se supone de 30 m de ancho, y llegan 5 líneas a la estación.

En la estación se tendrá una descarga cada 40 años.

5 x 0.1 x 0.05 = 0.025 = 1 / 40 descargas/año;

Si se fija la longitud de línea que se considera preocupante para los rayos en 1 km entonces:

5 x 5 x 1 x 0.03 = 0.75 = 1 / 1.33 descargas/año

En las líneas consideradas de 1 km se presenta poco menos de una descarga por año (y si se deben considerar mas largas, serán mas...), por lo que es sobre estas que debe fijarse el esfuerzo de protección.

Evaluar el cableado de un campo de una estación eléctrica a partir de las borneras de los equipos de potencia.

Evaluar la carga que representan los cables para los transformadores de corriente de 1 o 5 A, y realizar el cableado con cables bipolares, manteniendo independientes los núcleos hasta el tablero de edificio, o con cables tripolares que se forman a pocos metros del transformador, en una caja adecuada.

Un cable de 4 mm2 tiene una resistencia 17.241 / 4 = 4.31 ohm/km, y la reactancia puede considerarse 0.1 a 0.15 ohm/km.

Con corriente de 1 A, distancia entre transformadores e instrumentos 100 m, 10 VA (cosfi = 0.7) de carga de relés, se tiene:

para cables bipolares independientes para cada transformador, 10.6 VA y cosfi = 0.73

para cables tripolares 10.3 VA y cosfi = 0.72

Mientras que para 5 A se tiene respectivamente (manteniendo la misma carga de relés, que en rigor con mayor corriente debería ser superior):

29.6 VA y cosfi = 0.96

19.3 VA y cosfi = 0.92

Determinar la caída de tensión en el cable de disparo de un interruptor de potencia para distintos consumos de la bobina de disparo y distintas tensiones de auxiliares.

Si la bobina absorbe 110 Vcc, 5 A (550 W) la caída de tensión en un cable bipolar de 100 m de 4 mm2 (4.31 ohm/km) resulta:

2 x 4.31 x 0.1 x 5 = 4.31 V = 3.92 %

Realizar el balance de consumos de corriente alterna de una estación eléctrica, para estimar la potencia necesaria de auxiliares. Estimar la carga en corriente continua (relés, luces, bobinas de disparo, etc.) definir el ciclo crítico, evaluar el tamaño de la batería.

Las combinaciones de condiciones para generar una orden se realizan con contactos que excitan un relé auxiliar cuyos contactos a su vez originan la orden de potencia.

Los relés auxiliares de corriente continua y de corriente alterna, tienen distintas prestaciones y velocidades, a veces el mismo relé puede usarse con distintas prestaciones en ambas aplicaciones.

Estudiar la aplicación de relés auxiliares en base a sus especificaciones de catálogo.