NIVELES DE AISLACION DE EQUIPOS

1. Alcance

El presente artículo está orientado a comprender los requisitos dieléctricos de los equipos de media y alta tensión en corriente alterna. Se hace hincapié principalmente en los datos y recomendaciones de la Comisión Electrotécnica Internacional.

La norma IEC 60071 establece pautas de aplicación y se ocupa de la selección de los niveles de aislamiento de los equipos o instalaciones para los sistemas eléctricos trifásicos. Su objetivo es dar una guía para la determinación de las tensiones soportadas nominales de los rangos I y II de la norma IEC 60071-1 y justificar la asociación de estos valores nominales con los voltajes más altos para los equipos estandarizados.

Esta asociación es sólo para fines de coordinación de aislamiento. Los requisitos para la seguridad de las personas están en otros documentos.

2. Términos

2.1      Voltaje o tensión nominal de una red (Un)

Valor eficaz aproximado adecuado de la tensión utilizada para designar o identificar una red.

Es un valor que se puede dar en corriente continua o alterna y que varía según las circunstancias, siendo considerado teórico y cuantificable. En corriente alterna, hay que distinguir entre valor pico, que es la máxima tensión soportada en un ciclo y el valor eficaz (0,707 el valor pico), que es la cantidad de corriente que equivale a la corriente continua. Generalmente, se menciona el valor eficaz como punto de referencia.

No hay que confundirlo con la tensión real, que se mide con un voltímetro. Este aparato permite medir la tensión real de la instalación. Habitualmente, se compara con la tensión nominal para verificar si está dentro del rango esperado. Si la medición real es cercana a la nominal, el aparato o instalación está funcionando correctamente.

2.2      Voltaje máximo de una red (Us)

Es el valor eficaz máximo de la tensión que se presenta en un instante y en un punto cualquiera de la red en condiciones de funcionamiento normales de operación. Normalmente las tensiones máximas se encuentran entre un 5 a 10% por encima del valor de la tensión nominal.

Nota. - Este valor no toma en cuenta sobretensiones de maniobra, como las debidas a operaciones en la red, ni variaciones temporales de tensión.

2.3      Voltaje máximo para el material (Um)

Es el valor eficaz máximo de la tensión entre fases para el cual está especificado el material en relación a su aislamiento, así como a algunas otras características que están provisionalmente conectadas a esta tensión en las normas propuestas para cada material, respecto a:

1. el aislamiento;
2. otras características que puedan estar vinculadas a este voltaje máximo en las recomendaciones de los equipos correspondientes.

NOTA. - El equipo solo se puede utilizar en sistemas cuyo voltaje máximo sea inferior o igual al voltaje máximo del equipo.

2.4     Coordinación de aislamiento

La coordinación de aislamiento es la selección de la rigidez dieléctrica de los materiales, en función de las tensiones que pueden aparecer en la red a la cual estos materiales están destinados y teniendo en cuenta las condiciones ambientales y las características de los dispositivos de protección disponibles.

NOTA – La "rigidez dieléctrica” de los materiales se considera aquí en el sentido de nivel de aislamiento asignado o de nivel de aislamiento normalizado.

2.5      Clasificación del aislamiento

El aislamiento de los equipos eléctricos se puede clasificar en dos categorías como: aislamiento externo y aislamiento interno:

2.5.1  Aislamiento externo

Distancias en el aire atmosférico y en las superficies de los aislamientos sólidos de un material en contacto con la atmósfera, que se someten a los esfuerzos dieléctricos y a la influencia de las condiciones ambientales u otros agentes externos tales como polución, humedad, insectos, etc.

• Aislamiento externo Tipo Exterior

Es el aislamiento que está diseñado para operar fuera de los edificios y consecuentemente está expuesto a las condiciones atmosféricas y de intemperie.

• Aislamiento externo Tipo Interior

Es el aislamiento externo que está diseñado para operar dentro de los edificios y consecuentemente no está expuesto a las condiciones de intemperie.

2.5.2  Aislamiento interno

Elementos internos sólidos, líquidos o gaseosos del aislamiento de un material que están al amparo de la influencia de las condiciones ambientales u otros agentes externos

2.5.3  Aislamiento auto-regenerable

Aislamiento que recupera íntegramente sus propiedades aislantes después de una descarga disruptiva.

2.5.4  Aislamiento no auto-regenerable

 

Aislamiento que pierde sus propiedades aislantes, o no las recupera íntegramente, después de una descarga disruptiva.

2.6       Configuración del aislamiento

Configuración geométrica completa del aislamiento en funcionamiento que comprende el aislamiento y todos sus bornes. Incluye todos los elementos (aislantes y conductores) que influyen en su comportamiento dieléctrico. Se distinguen las configuraciones del aislamiento siguientes:

• trifásica: que tiene tres bornes de fase, un borne neutro y un borne de tierra;
• fase-tierra: configuración de aislamiento trifásica en la cual no se tienen en cuenta los bornes de dos fases y, excepto en casos especiales, en la cual el borne de neutro se conecta a tierra;
• entre fases: configuración de aislamiento trifásico en la cual no se considera un borne de fase. En ciertos casos, los bornes de neutro y de tierra no son tampoco considerados;
• longitudinal: teniendo dos bornes de fase y un borne de tierra. Los bornes de fase pertenecen a la misma fase de una red trifásica, separada temporalmente en dos partes independientes bajo tensión (aparatos de conexión abiertos). Los cuatro bornes que pertenecen a las otras dos fases no se tienen en cuenta o se conectan a tierra. En ciertos casos, uno de los dos bornes de fase considerados se conecta a

Estas definiciones fueron tomadas de la norma IEC 60071-1 (2019)

3. Sobretensiones

Una sobretensión se define como una tensión anormal dependiente del tiempo, pueden darse entre fases del mismo circuito (modo diferencial), o entre fases y tierra (modo común), cuyo valor pico es superior al valor pico de la máxima tensión de operación normal de un equipo o sistema.

Según su origen se dividen en sobretensiones de origen interno y origen externo.

3.1  Sobretensiones de origen interno

Se originan al interior del propio sistema eléctrico, por lo que su magnitud es proporcional a la tensión del sistema y se dividen a su vez en sobretensiones temporales y sobretensiones de maniobra.

­3.1.1   Sobretensiones temporales

Se caracterizan por ser de larga duración y baja amortiguación, pueden durar de 1 a 2 ciclos a 1,5 pu veces la tensión y < 1 sg a los otros tipos de sobretensión, con frecuencias cercanas a la fundamental por lo que se consideran como de frecuencia industrial. Estas sobretensiones temporales son ocasionadas principalmente por: fallas a tierra; rechazo de carga; efecto ferranti; resonancia; ferroresonancia.

Por ejemplo, en una subestación, la conexión de un banco de capacitores de 100 MVAR puede generar una sobretensión temporal que eleva la tensión de la red durante algunos ciclos, hasta que la energía se disipa. De manera similar, una falla en la puesta a tierra de un sistema eléctrico puede causar una sobretensión temporal, esto sucede porque la impedancia de la falla cambia las condiciones normales de operación, por ejemplo, en una línea de transmisión, una conexión a tierra defectuosa en una torre puede causar un aumento de tensión en las fases no afectadas hasta que se detecta y se aísla la falla.

3.1.2 Sobretensiones de maniobra

Se originan ante la operación de los equipos de maniobra o súbitas modificaciones en la topología de la red eléctrica de mayor magnitud que las sobretensiones temporales, tales como: conexión o desconexión de líneas de transmisión; inicio y despeje de falla; maniobra ce corrientes inductivas y capacitivas; cambios bruscos de carga. Estas sobretensiones tienen magnitudes entre 3 y 7 veces la tensión nominal del sistema y dependen de la operación que se realiza al sistema. Las sobretensiones de maniobra son de corta duración y amortiguadas, que se traducen en una onda de sobretensión que se caracteriza por tener un frente de onda de algunas decenas a miles de microsegundos.

Por ejemplo; en la conmutación de Líneas de Transmisión, la operación de interruptores para conectar o desconectar líneas de transmisión puede causar sobretensiones de maniobra. Estas sobretensiones se deben a la energía almacenada en la línea y su liberación súbita. De igual forma, en la reconexión Automática después de una Falla, los sistemas de protección que intentan reconectar automáticamente una línea después de una falla pueden causar sobretensiones si la falla no se ha eliminado completamente.

3.2 Sobretensiones de origen externo

Son aquellas sobretensiones que se originan en el exterior del sistema eléctrico, por lo que su magnitud no depende de la tensión del sistema.

Principalmente son originadas por las descargas atmosféricas o rayos, tienen una duración muy corta y de amplitudes muy superiores a la tensión pico nominal; representan un problema potencial para las líneas aéreas y subestaciones a la intemperie, ya que se pueden generar sobretensiones que podrían provocar fallas en el aislamiento de los equipos.

La onda de sobretensión de rayo puede ser simulada por una onda impulsiva normalizada aperiódica con un frente de onda y un valor medio de cola de 1,2/50 µs respectivamente, por los que son llamadas también sobretensiones de frente rápido.

Existen otras causas de sobretensiones de origen externo como las sobretensiones por inducción electroestática y por carga estática que no tienen mucha incidencia en los sistemas eléctricos.

 

Las sobretensiones fueron tomadas de la norma IEC 60071-1 (2019)

4. Ensayos de tensión soportada normalizados

De acuerdo a la norma IEC 60071-1 (2019), son los ensayos dieléctricos efectuados en las condiciones especificadas para demostrar que el aislamiento satisface a la tensión soportada normalizada. Estos son:

•  Ensayos a la tensión de corta duración a frecuencia industrial;
•  Ensayo a los impulsos tipo maniobra;
•  Ensayos a los impulsos tipo rayo;
•  Pruebas combinadas de impulsos de conmutación;
•  Ensayos a la tensión combinada.

5. Niveles de tensión considerados en el análisis

La norma IEC 60038 especifica valores de voltaje estándar que están destinados a servir como valores preferenciales para el voltaje nominal de los sistemas de suministro eléctrico y como valores de referencia para el diseño de equipos y sistemas. (ver tablas 1 y 2).

Para propósitos del presente artículo, se han considerado los siguientes niveles de tensión:

5.1 Media Tensión (MT)

Son las tensiones mayores a los 1 kV y menores a los 60 kV, o tensiones que comprenden entre los 1 kV y 45 kV.

Los voltajes de distribución primaria más utilizados en Bolivia son los siguientes:

• 6,9 kV (delta), se utiliza en La Paz y Oruro.
• 10 kV (estrella), se utiliza en Cochabamba, Santa Cruz, Sucre y Potosí, esta tensión está normalizada en Europa (50Hz).
• 24,9 kV/14,4 kV (estrella), este sistema es trifásico con neutro físico, se utiliza masivamente en electrificación rural y suburbana, corresponde a la norma estadounidense.
• 34,5 kV/19,9 kV, se utiliza en áreas rurales, que permite un mayor radio de acción de las líneas, se tienen en Chapare, Larecaja y Chiquitos (Santa Cruz).

5.2 Alta Tensión (AT)

Son las tensiones mayores a 60 kV y menores o iguales a 230 kV, o tensiones comprendidas entre 69 kV y 230 kV.

En nuestro país para la transmisión se utilizan las siguientes tensiones:

• 69 kV, existen subestaciones en este nivel de tensión en La Paz, Oruro, Potosí, Chuquisaca y Santa Cruz.
• 115 kV, esta tensión se tiene instalado en Cochabamba, Oruro, La Paz, Potosí, Santa Cruz, Beni y Tarija.
• 230 kV, actualmente esta es la tensión más alta en nuestro país y se tiene en Cochabamba, Santa Cruz, Beni, Oruro, La Paz, Potosí, Sucre y Tarija.

5.3 Extra Alta Tensión (EAT)

Tensiones mayores a 230 kV o tensiones comprendidas entre los 345 kV y 700 kV. Para la transmisión se utilizan tensiones de: 345 kV, 500 kV y 700 kV.

En algunas subestaciones los equipos de 230 kV, por corrección de altura presentan 420 kV de tensión nominal.

En Bolivia se utiliza el nivel de tensión de 500 kV en los departamentos de Cochabamba y Santa Cruz.

6. Niveles de aislamiento normalizados

La rigidez dieléctrica de los equipos se puede describir mediante los niveles de aislamiento normalizados, el cual es un conjunto de tensiones soportadas normalizadas asociadas a la tensión máxima (Um) a la que será sometido el equipo.

En las tablas 1 y 2 se describen los niveles de aislamiento normalizados según norma IEC 60071-1 (2019), considerando el uso de dispositivos y métodos de limitación de sobretensiones; estos valores son válidos para instalaciones o equipos hasta los 1000 m.s.n.m.

En las mismas tablas se indican los voltajes estandarizados y tensiones máximas de acuerdo a la norma IEC 60038.

El estándar IEEE 1427-2006, proporciona los niveles de aislamiento normalizados para sistemas de corriente alterna, especialmente aplicable en la práctica norteamericana (Serie II). La tabla 2, comparativa, muestra cómo estos niveles se alinean con los definidos por la norma IEC 60038, lo que permite una comparación directa entre los niveles de aislamiento en diferentes niveles de voltaje.

Tabla 1 Niveles de aislamiento normalizados (Serie I)

Fuente Normas IEC 60038 y 60071-1

Tabla 2 Niveles de aislación normalizados (Serie II)

Fuente Norma IEC 60038 y estándar IEEE 1427-2006

En las tablas 1 y 2, se proporcionan dos conjuntos de tensiones máximas de la red, uno para redes de 50 Hz y 60 Hz (Serie I), el otro para redes de 60 Hz (Serie II – práctica norteamericana). La norma recomienda utilizar una de las dos series en el mismo país

Según la norma IEC 60038, los valores indicados con (*) deben considerarse valores no preferidos. Recomienda no utilizar estos valores para los nuevos sistemas que se construyan en el futuro.

En un sistema normal de la serie I, la tensión más alta y la tensión más baja no difieren en más de aproximadamente ±10 % de la tensión nominal del sistema. En un sistema normal de la serie II, la tensión más alta no difiere en más de +5 % y la tensión más baja en más de -10 % de la tensión nominal de la red.

Para el aislamiento fase-fase, rango I, las tensiones soportadas asignadas normalizadas de corta duración de frecuencia industrial y de impulso de rayo fase-fase son iguales a las correspondientes tensiones soportadas fase-tierra (Tablas 1 y 2). Sin embargo, los valores entre paréntesis pueden ser insuficientes para demostrar que se cumplen las tensiones soportadas requeridas y puede ser necesario realizar ensayos adicionales de tensión soportada fase a fase.

Para el aislamiento longitudinal, rango I, las tensiones asignadas estándar de corta duración de frecuencia industrial y de impulso de rayo son iguales a las correspondientes tensiones de resistencia de fase a tierra (Tablas 1 y 2).

La norma IEC 60071-1 define las tensiones normalizadas en dos rangos para instalaciones en función de la tensión máxima del sistema, que son considerados de la siguiente manera:

Rango I: comprende tensiones máximas desde 1kV a 245 kV incluido. A este rango pertenecen las redes de distribución, subtransmisión y transmisión en alta tensión.

Rango II: comprende tensiones máximas superiores a 245 kV. Este rango se aplica en redes de transmisión en extra alta tensión.

En este artículo solo se hará referencia a lo concerniente a los Niveles de Aislamiento Normalizado IEC-60071 Rango I (1kV < Um ≤ 245 kV), el Rango II, será objeto de otro artículo.

7. Aislamiento Externo de Equipos de Subestaciones (Norma 30 CNDC)

 El Comité Nacional de Despacho de Carga (CNDC), con relación al aislamiento externo de equipos de subestaciones indica:

El aislamiento de los equipos de subestaciones, interruptores, seccionadores, transformadores de medida, transformadores de potencia y reactores, deberán tener un Nivel Básico de Aislación (BIL), adecuado a la altura de instalación sobre el nivel del mar donde serán instalados. Los niveles de aislamiento para, nuevas subestaciones o nuevos niveles de tensión en subestaciones existentes, deberán ser determinados en base a un estudio dé coordinación de aislamiento.

Los equipamientos nuevos a ser instalados en subestaciones. existentes deberán tener niveles de aislamiento iguales o superiores a los valores referenciales publicados en el sitio web del CNDC. El Propietario de. la nueva instalación podrá presentar un estudio de coordinación; de aislamiento que respalde otros valores inferiores.

Los estudios de coordinación de aislamiento, deberán, ser realizados según lo establecido en la Norma IEC 60071.

Los niveles de aislamiento interno para transformadores y reactores deberán ser:

Como se aprecia los niveles de aislación interna de los equipos establecidos por la Norma 30 del CNDC, son coherentes con los valores de aislación normalizados por la norma IEC 60071-1 (2019) ver Tabla 1.

8. Condiciones medioambientales

Las tensiones nominales soportadas normalizadas indicadas en las Tablas 1 y 2, son válidas para las condiciones ambientales normales y se ajustan a las condiciones atmosféricas de referencia normalizadas.

9. Condiciones ambientales normales

Las condiciones ambientales normales que son de interés para la coordinación del aislamiento y para las que pueden seleccionarse normalmente tensiones soportadas de la Tabla 1 o la Tabla 2 son las siguientes:

1. La temperatura del aire del medio ambiente no supera los 40 °C y su valor medio, medido durante un período de 24 h, no supera los 35 °C. La temperatura mínima del aire del medio ambiente es de -10 °C para la clase "-10 exterior", de -25 °C para la clase "-25 exterior" y de -40 °C para la clase "-40 exterior".
2. La altitud no supera los 1 000 m sobre el nivel del mar.
3. El aire del ambiente no está significativamente contaminado por polvo, humo, gases corrosivos, vapores o sal. La contaminación no supera el nivel de contaminación II - Medio, según la Tabla 1 de la norma IEC 60071-2.
4. La presencia de condensación o precipitación es habitual. Se consideran precipitaciones en forma de rocío, condensación, niebla, lluvia, nieve, hielo o escarcha.

10. Condiciones atmosféricas normalizadas de referencia

Las condiciones atmosféricas normalizadas de referencia para las que se aplican las tensiones soportadas normalizadas son:

• temperatura:           to= 20 ^oC
• presión:                      bo= 101,3 kPa (1 013 mbar)
• humedad absoluta:   ho= 11 g/m3

11. Corrección atmosférica

En nuestro país, parte de las instalaciones de gran envergadura se encuentran por encima de los 1000 m.s.n.m., por ende, es importante tomar en cuenta los efectos que se pueden presentar en los equipos instalados por encima de esa altitud.

La corrección atmosférica cubre las diferencias entre condiciones atmosféricas reales en el sitio de ubicación de la instalación y las condiciones de pruebas normalizadas.

En distintos lugares del sistema de potencia existen tensiones diferentes a la nominal, para propósitos de la coordinación de aislación se considera el máximo voltaje de operativo que ocurre bajo situaciones normales de operación en cualquier momento y cualquier punto de la red.

La norma IEC 60071-2, hace las siguientes consideraciones:

1. Para distancias en el aire y aislamientos limpios, debe aplicarse la corrección a las tensiones soportadas a impulso tipo rayo y tipo maniobra. Para aisladores que requieren un ensayo de contaminación, es también necesaria una corrección de la tensión soportada de larga duración a frecuencia industrial;
2. Para la determinación del factor de corrección atmosférico aplicable, puede considerarse que los factores de corrección de la temperatura y de la humedad ambientes tienden a anularse mutuamente. Por consiguiente, a los efectos de coordinación de aislamiento, sólo es necesario tener en cuenta la presión atmosférica correspondiente a la altitud del lugar para los aislamientos en seco y bajo lluvia.

12. Factores de corrección por altitud

Dependiendo de si la distancia de aislamiento de un equipo eléctrico determinado esta expuesto a las influencias atmosféricas o esta protegido de ellas, es habitual distinguir entre aislamiento externo e interno. La rigidez dieléctrica del aislamiento exterior depende naturalmente de las propiedades de la atmósfera que rodea este aislamiento (densidad del aire, humedad, etc.).

Puede suponerse que las condiciones atmosféricas del aire no influyen en las propiedades del aislamiento interno.

Con el aumento de la altitud, la densidad del aire disminuye y con ella la resistencia dieléctrica del aire. Por lo que esto, se debe tomar debidamente en cuenta a la hora de determinar las dimensiones del aislamiento de una unidad que se instala a una altitud superior a los 1000 m, por lo tanto, el factor de corrección de la altitud se utiliza para corregir la tensión o la capacidad de aislamiento de la unidad en particular.

El factor de corrección puede calcularse a partir de las siguientes fórmulas simplificadas:

DIN VDE 0111 Part1

Donde: H = Altura de la instalación (m)

IEC 60071-1 y 60071-2

            H:          Altura sobre el nivel del mar (m)

            m = 1.0 para coordinación por tensión atmosférica de impulso que puede soportar.

            m = 1.0 para tensiones de frecuencia industrial que se puede soportar en espacios de aire y aisladores limpios.

El estándar ANSI C37.20.2-1986 dentro de su cláusula 8.1.3; para condiciones inusuales como la altitud, recomienda el uso de factores de corrección para el voltaje, dados en la Tabla 3.

Tabla 3 Factores de corrección por altura

Fuente estándar ANSI C37.20.2-1986

Para la aplicación de los factores de corrección por altura se tienen las siguientes variantes:

12.1 Variante 1

Conociendo la altitud a la que se instalará la unidad, aplicando la fórmula precedente se obtienen el factor de corrección correspondiente. A continuación, la tensión soportada de impulso o de frecuencia industrial (véanse Tablas 1 y 2), adecuada a la tensión nominal dada, debe ser dividido por el factor de corrección. La tensión soportada así obtenida se aplica entonces a los ensayos realizados en laboratorio situados por debajo de una altitud de 1000 m y rige las dimensiones del aislamiento.

12.2 Variante 2

Una vez obtenido el factor de corrección de altitud, la tensión máxima de la red se divide por ese factor, el resultado es la nueva tensión máxima de la red que rige la elección de la tensión de prueba del equipo que se va a instalar.

Ejemplo numérico

Datos

Altitud: 2300 m                                               Factor de corrección ka=0.86 (valor coincidente por los tres métodos)

Tensión nominal de la red                          132 kV

Tensión máxima de la red                          145 kV

Tensiones de prueba según IEC (para instalación hasta 1000 m sobre el nivel del mar)

• Tensión soportada normalizada a los impulsos tipo rayo 650 kV (valor de cresta)
• Tensión soportada normalizada de corta duración a frecuencia industrial 275 kV (valor eficaz)

Variante 1

Por lo tanto, el aislamiento del equipo que se instale debe ser capaz de soportar 757 kV cuando se somete a una onda de impulso de 1.2/50 us y 320 kV cuando se prueba a 50 Hz durante 1 minuto a una altitud de 1000 m.

Variante 2

La tensión máxima inmediatamente superior (ver Tabla 1) es 170 kV, por lo tanto, en lugar de 145 kV, la unidad que se instale a una altitud de 2300 m, deberá tener una tensión máxima de 170 kV, al cual le corresponde un BIL de 750 kV y 325 kV para prueba a frecuencia industrial a una altitud de 1000m.

Como se aprecia, ambas variantes arrojan resultados similares de corrección por altitud.

Es importante, mencionar que la selección del nivel de aislamiento para un determinado equipo no debe basarse únicamente en el uso de las tablas, sino que se debe aplicar todo el procedimiento de coordinación de aislamiento para incluir las particularidades del sistema o red en estudio.

ACCIPITER S.R.L.