Sobretensiones por rayos

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Sobretensiones por rayos
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]


Sobretensiones por rayos

Resumen: 

En este artículo se exponen las características que presentan las sobretensiones que originan la caída de los rayos sobre las líneas eléctricas de media y alta tensión, y la forma de analizar estadísticamente su incidencia sobre las mismas.


Desarrollo:

Generalidades

Podemos decir que básicamente las redes electricas están sometidas a los siguientes tipos de perturbaciones:

1 - Perturbaciones internas temporales de duración prolongada
2 - Perturbaciones internas de maniobra
3 - Perturbaciones externas o atmosféricas

En este artículo se analizarán las perturbaciones externas, que se caracterizan por ser de una duración mas reducida que las restantes y muy fuertemente amortiguadas. Las mismas son las causantes del mayor número de fallas y se producen generalmente por la caída de un rayo sobre las líneas.

En este caso, el carácter aleatorio de ciertos parámetros, como la intensidad del rayo, el punto de caída, etcétera; determinan que dichas sobretensiones no puedan definirse mediante un valor concreto para una instalación dada, sino como una distribución de probabilidad de alcanzar una serie de valores.

Se ha determinado que según sea la polaridad del centro de carga de la nube, así resulta la polaridad del rayo. Entre el 80 y el 90 % de los rayos son negativos. Mientras que los rayos negativos están formados generalmente por varias descargas, los rayos positivos suelen constar de una sola descarga.

Si el sentido de la descarga avanza de la nube a la tierra se tiene un rayo descendente y cuando va en sentido contrario se produce un rayo ascendente. En terreno llano la mayoría de los rayos son descendentes, pero en terreno montañoso pueden producirse rayos ascendentes.

Se considera que la intensidad media durante cada descarga principal llega hasta 20.000 / 50.000 A, lo que origina en su recorrido una estrecha columna de aire sobrecalentada a unos 25.000° C. No obstante, la carga eléctrica real transferida desde la nube a tierra es pequeña, pues dura solamente una fracción de segundo. En total se libera una carga de unos 20 Coulomb y la energía promedio de la descarga es de alrededor de 50 kWh. 

Cabe señalar que las distintas normas establecen ondas de choque típicas para simular la acción de la caída de rayos sobre las líneas de transmisión de la energía eléctrica. 
Así la norma IRAM correspondiente prescribe una onda de corriente en la que el tiempo de crecimiento es de 8 microsegundos, mientras que el lapso hasta que se reduce al 50 % del valor máximo dura 20 microsegundos (onda 8/20). Para ondas de tensión, se adoptan los valores 1,2 y 50 respectivamente.

En el caso de impacto del rayo sobre una línea, el rayo puede caer sobre un conductor de fase, y entonces cebarse un arco entre el conductor y un apoyo estructural; o bien puede caer sobre un apoyo o un hilo de guarda, en cuyo caso se puede llegar a producir un arco en el sentido inverso al del caso anterior. 

Si el rayo cae sobre un conductor de fase, bien por una falta de apantallamiendo de los hilos de guarda de la línea o bien porque estos hilos no existen, se originan dos ondas de corriente que parten en direcciones opuestas y de valor igual a la mitad de la intensidad del rayo, dando lugar a dos ondas de tensión cuyo valor depende de la impedancia involucrada. Si dicho valor supera a la tensión de cebado del aislamiento conductor de fase-apoyo de la línea, se producirá una falla en los dos apoyos más próximos al punto de caída del rayo, dando lugar a dos ondas cortadas que viajarán a lo largo de la línea hasta las subestaciones terminales. Si esta tensión no es superior a la de cebado, no se producirá falla del aislamiento de la línea. Se observa que, en todo caso, las ondas de tensión que llegan a una subestación están limitadas por el nivel de aislamiento de la línea de la que proceden.

Dado el nivel de aislamiento de una línea, se observa que sólo se produce falla de la misma si la intensidad del rayo que cae sobre un conductor supera cierto valor crítico. En la práctica, la mayor parte de los rayos que caen sobre un conductor de fase dan lugar a una falla de aislamiento. Por esa razón, debe evitarse la caída directa de un rayo sobre los conductores de fase mediante una correcta instalación de los hilos de guarda.

Los hilos de guarda se colocan por encima de los conductores de fase y están unidos a tierra en los apoyos de la línea. De esta manera se reduce el riesgo de caída directa del rayo sobre los conductores.
Si el rayo cae sobre un apoyo, la corriente que circula por la estructura metálica de apoyo y a través de su toma de tierra da lugar a la aparición de una tensión importante entre la estructura y los conductores de fase. Esta tensión depende de la intensidad del rayo y de la impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda de frente escarpado correspondiente. Si esta tensión supera el valor de la tensión de cebado de aislamiento conductor-apoyo, se produce una falla de aislamiento correspondiente, que se denomina cebado inverso.

En los apoyos de las líneas de alta tensión no es fácil obtener valores de impedancia de la toma de tierra del apoyo para impulsos de frente escarpado inferiores a 10 Ohm, por lo que la probabilidad de un cebado inverso puede ser elevada para líneas de 132 kV y mas pequeña para las de 500 kV debido a la mayor distancia en ellas entre los conductores y los apoyos.

Por el contrario, para líneas de media tensión (inferiores a 66 kV), las distancias de aislamiento son suficientemente bajas como para que la probabilidad de cebado inverso sea casi la unidad, no teniendo ningún efecto la instalación de hilos de guarda sobre el riesgo de falla de la línea.

Si el rayo cae sobre un hilo de guarda, se originan dos ondas de intensidad de valor mitad del correspondiente al rayo, que caminan en sentidos opuestos hacia los apoyos, por los cuales se descargan. Acompañando a estas ondas aparecen otras dos de tensión, cuyo valor depende de la impedancia involucrada. Esta tensión en el punto de caída del rayo depende del valor relativo del tiempo que tarda la onda en llegar al apoyo más próximo y reflejarse en él y del tiempo de subida de la onda.
La tensión en el hilo de guarda puede dar lugar a una falla del aislamiento entre hilos de guarda, y conductores de fase o entre éstos y los apoyos adyacentes, que depende de la distancia en el aire entre ellos. El punto mas desfavorable es en el centro del vano, en que el tiempo citado es máximo. La menor flecha que se les suele dar a los hilos de guarda en las líneas sirve para aumentar la distancia de aislamiento en el centro del vano.

Otro tipo de perturbación externa de origen atmosférico se da cuando hay nubes de tormenta en la vecindad de una línea. 
Una nube que, supongamos, tenga una carga negativa, actúa de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los conductores por inducción electrostática. Las cargas positivas se concentrarán en la zona cercana a la nube, mientras que las negativas libres se propagarán por toda la línea. Cuando la nube se descargue repentinamente por medio de un relámpago o un rayo, las cargas positivas se liberarán súbitamente, dando origen a dos ondas errantes iguales que se desplazan hacia los extremos de la línea en sentidos contrarios.

En otro orden de cosas digamos, que en general, en las líneas aéreas el 80% de las fallas son de tipo transitorio, es decir, luego de un tiempo desaparecen.
Por ejemplo en el caso de las descargas atmosféricas puede producirse el contorneo de los aisladores sin destruirlos. También las oscilaciones de las líneas por acción del viento pueden provocar fallas momentáneas entre las fases. Ramas y pájaros también provocan fallas transitorias.
Todo esto llevó a la implementacion de sistemas de recierre automáticos, trifásicos y monofásicos. 
Como muchas fallas son monofásicas, se suele abrir sólo la fase afectada. Así la eventual pérdida de sincronismo de los generadores es menos probable. En este caso hay que considerar que existen acoplamientos inductivos y capacitivos entre la fase fallada y las sanas que pueden dar lugar a la aparición de arcos secundarios.

En ambos casos se deben abrir ambos extremos (red mallada), extinguir la falla y reconectar lo mas rápido posible para no perder sincronismo.

Si un recierre no resulta exitoso no implica que la falla sea permanente, pues puede ocurrir que el tiempo de recierre haya sido muy breve. Por ello pueden intentarse recierres multiples, aunque la experiencia indica que en AT suelen tener una baja probabilidad de éxito. En cambio, en distribución se usa mucho, ya que el peligro de pérdida de sincronismo no existe, y por economía se usan recierres trifásicos.

Análisis estadístico

Por lo expuesto en el apartado anterior, se desprende que para estudiar la incidencia de las sobretensiones por rayos en las redes aereas debe recurrirse a métodos estadísticos, en virtud del carácter aleatorio de los distintos parámetros de dichas sobretensiones externas.

Por tal razón, se suele hablar de una distribución de probabilidad de alcanzar una serie de valores. La experiencia indica que en primera aproximación, puede considerarse a dicha distribución como normal o gaussiana.

Distintos modelos se han desarrollado para analizar esta cuestión, y periódicamente aparecen nuevas versiones para simular de mejor forma la acción de los rayos sobre las líneas. A continuación se presentarán los puntos mas importantes de uno de ellos, como una introducción al tema y para ilustrar la cuestión.

Un dato básico para el diseño de una línea frente al rayo es la frecuencia de caída de rayos por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Esta frecuencia Nr generalmente se expresa en número de rayos por km² y por año. 

Este valor es función del nivel isoceráunico T de la zona, que es el valor medio de los días de tormenta al año en dicha zona. Una expresión empírica que los relaciona es:

Nr= T / 6

El valor T debe consultarse en los mapas de niveles isoceráunicos correspondientes a la región en que se instalará la línea en estudio.

El modelo electrogeométrico del impacto del rayo sobre la línea considera que la descarga va precedida de la formación de un canal guía conductor, que la intensidad del rayo es proporcional a la tensión del canal guía previa a la descarga y que el canal guía da un salto final hacia aquel objeto que se encuentre a una distancia Dsf de la cabeza del canal, cuyo valor puede calcularse mediante la expresión:

Dsf= 9,4 . Raíz cúbica (I²)

Donde I es la intensidad de la descarga en kA, resultando la distancia en metros.

Para la coordinación del aislamiento, suele definirse una tensión soportada estadística de la aislación Uc10%, que tiene una probabilidad del 90 % de ser soportada (10 % de falla) y puede calcularse mediante la expresión:

Uc10%= Uc50% - 1,3 . Stc 

Donde Uc50% es la mediana de la distribución normal de tensiones de cebado y Stc su desviación estándar (que ronda el 4 a 5 %).

Para distancias de aislamiento a través de cadenas de aisladores la Uc50% se determina a partir de los valores de tensión media de contorneo brindados por los fabricantes de los mismos. 

Para distancias de aislamiento en aire, bajo condiciones atmosféricas normales, se puede obtener el valor de Uc50% en kV con:

Uc50%= k . De

Donde De es la distancia mas corta que puede aparecer entre los electrodos (considerando la acción del viento, dilatación térmica, nieve, etc.), expresada en metros; y k es un coeficiente que depende de la distribución geométrica de los electrodos y que vale 550 en casi todos los casos, salvo para la combinación varilla en punta-plano en que vale 480.

Como se indicó anteriormente, no todos los rayos que caen sobre un conductor de fase producen falla, ya que es necesario que su intensidad de cresta I sea tal que ocasione que las dos ondas generadas de sobretensión Us sean superiores a la de cebado de la aislación:

Us= I . Zc / 2

Donde Zc es la impedancia de onda del conductor, que vale:

Zc= 60 . ln (2 Ym / Re)

En la expresión anterior, Ym representa la altura media del conductor y Re el radio geométrico medio del conjunto de subconductores de fase.

De esta forma, sólo los rayos de intensidad superior a un cierto valor crítico Icr darán lugar a una falla si caen sobre un conductor de fase. Su valor está definido por:

Icr= 2 . Uc0% / Zc 

Con:

Uc0%= Uc50% - 2,5 . Stc 

Como la distancia a la cual el rayo da el salto final está relacionada con la intensidad del rayo, sólo los rayos cuyo salto final se produzca a una distancia superior a un valor crítico Dcr darán lugar a falla:

Dcr= 9,4 . Raíz cúbica ((1,1 . Icr)²)

El factor 1,1 tiene en cuenta la diferencia entre la intensidad del rayo cayendo sobre el conductor de fase y sobre una impedancia nula (tierra).

Por otro lado, la probabilidad de caída de un rayo sobre un conductor de fase está muy influenciada por la existencia o no de hilos de guarda, y de existir, de su posición relativa.

En presencia de hilos de guarda, se tiene un ángulo de apantallamiento Ap definido por el ángulo formado entre la vertical y la recta que une el hilo de guarda con el conductor. La determinación del ángulo necesario para un apantallamiento total Apt (sin posibilidad de fallas) se realiza a partir del modelo electrogeométrico indicado anteriormente.

Analizando geométricamente la situación, se deduce:

Apt= arc sen ((Dcr - Ym) / Dcr) - arc sen (0,5 . Dgcm / Dcr)

Donde Dgcm es la distancia media entre hilo de guarda y conductor. 

Para tener un apantallamiento total debe cumplirse que:

Apt > Ap

De no cumplirse esta condición debe realizarse el cálculo del riesgo de falla por apantallamiento insuficiente. Esto puede llegar a ser necesario cuando se tienen grandes líneas, en las cuales se requerirían importantes inversiones para construir estructuras que cumplan con la condición anterior, y por lo tanto se las puede diseñar admitiendo un cierto riesgo de falla de apantallamiento, por motivos económicos. 

Para cálcular el número probable de fallas por año y por 100 km originadas por apantallamiento insuficiente, se realizan simulaciones por computadora, en base al modelo electrogeométrico y evaluando diferentes amplitudes y ángulos de caídas de los rayos. Los parámetros a considerar son el ángulo de apantallamiento real, la altura media del hilo de guarda, la tensión de cebado y el nivel isoceráunico de la zona. La exposición de este asunto está mas allá del alcance de este artículo y debe consultarse en los libros especializados.

Finalmente digamos que en líneas sin hilos de guarda, puede estimarse el número de fallas por rayo mediante un método empírico que indica que el número de fallas por año y por 100 km de línea Nf vale:

Nf= Nry . Pi

Donde Nry es el número de rayos caidos sobre la línea por año y por 100 km, y Pi es la probabilidad de que la intensidad del rayo supere el valor Icr necesario para producir la falla. A su vez, estos valores se calculan mediante las expresiones:

Nry= 2,7 . Ym . (T / 30)

Pi= 10 exp (2 - Icr/60) ó log10 Pi= (2 - Icr/60)

En las cuales Ym es la altura media del conductor mas alto, T es el nivel isoceráunico de la región e Icr es la intensidad crítica en kA.

El valor de Nf debe ser menor que la tasa de salidas de servicio preestablecida en los criterios básicos de proyecto.

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