A is Lac Ion

8/6/2019 A is Lac Ion

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- 1 - Ctedra: Transmisin y Distribucin de la Energa Elctrica

U.T.N. Facultad Regional Rosario Departamento de Ing. Elctrica

PRINCIPIOS PARA LA COORDINACIN DE LOS NIVELES DE AISLACIN DE APARATOS E INSTALACIONES EN REDES ELCTRICAS DE A.T

ndice1.Introduccin ........................................................................2 Error! Marcador no definido.2.Solicitaciones en Servicio. .....................................................................................................3

2.1.Generalidades _______________________________________________________________________32.1.1.Clasificacin ____________________________________________________________________________ 32.1.2.Forma de ondas normalizadas para ensayos ______________________________________________ 42.1.3.Reduccin y control de las sobretensiones: ________________________________________________ 4

2.2.Tensin normal de servicio. ___________________________________________________________5

2.3.Sobretensiones temporarias ___________________________________________________________6

2.4.Sobretensiones de maniobras _________________________________________________________6

2.5.Sobretensiones atmosfricas: _________________________________________________________7

3.Comportamiento de los aislamientos: .....................................................................................7

3.1.Generalidades. ______________________________________________________________________7

3.2.Caractersticas Tensin Tiempo ______________________________________________________83.2.1.Impulso del tipo atmosfrico: _____________________________________________________________ 93.2.2.Impulso del tipo de maniobra: ____________________________________________________________ 93.2.3.Tensin alterna de frecuencia industrial y tensin continua: ________________________________ 103.2.4.Caracterstica tensin-tiempo compuesta: _______________________________________________ 11

3.3.Aislamientos en paralelo Dispositivos de proteccin. ____________________________________11

3.4.Niveles de aislacin Normas Ensayos. ______________________________________________12

4.Coordinacin de los niveles de aislacin: ..............................................................................13

4.1.Niveles de aislacin normalizados. ____________________________________________________13

4.2.Enfoques para la coordinacin de aislamientos. _________________________________________14

4.3.Procedimiento de coordinacin de los aislamientos en AT. ________________________________14


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PRINCIPIOS PARA LA COORDINACIN DE LOS NIVELES DE AISLACIN DE APARATOS E INSTALACIONES EN REDES ELCTRICAS DE AT

1. IntroduccinUno de los aspectos ms importantes para el diseo de redes elctricas de AT y MT es lacoordinacin de los aislamientos o bien los niveles de aislacin. La importancia del correctodimensionamiento de una red elctrica respecto a la coordinacin del aislamiento radica en:

a. Asegurar la continuidad del suministro de energa elctrica que en cierta forma es una medidade la calidad del servicio, la cual se determina por la duracin y frecuencia de lasinterrupciones por falla de funcionamiento del sistema y sus componentes. Una de las fallasms comunes es la ruptura dielctrica de los aislamientos de aparatos e instalaciones queintegran la red elctrica.

b. Considerar el aumento de tensiones nominales de operacin del sistema elctrico,fundamentando en razones tcnico econmicas de utilizacin ptima de materiales y

espacio, ante el crecimiento ininterrumpido de la demanda y el necesario transporte deelevados bloques de potencia.

La incidencia de los aislamientos en el costo de un equipo o instalacin de AT se hace ms notable amayores tensiones de servicio, de tal modo que tiende a transformarse en uno de los factoreseconmicos limitativos ms importante. Por ello es primordial dimensionar los aislamientos deaparatos e instalaciones en la forma ms ajustada posible, para lo cual se requiere un cabalconocimiento y sus condiciones de uso.

No resulta sencillo proporcionar una definicin clara y precisa, por lo que se citarn definicionesrecomendadas por IRAM y la IEC (International Electro technical Commission), respecto de lacoordinacin de la aislacin. En el prrafo C-17 del proyecto de Norma Iram 2211/74 que es unatraduccin adaptada a la IEC Publicacin 71 de 1967, se define:

Coordinacin de la aislacin : conjunto de disposiciones tomadas con el objeto de evitar daos alos aparatos elctricos debido a las sobretensiones y para localizar las descargas de arco (cuando nose las puede evitar econmicamente), en los puntos en los cuales no pueden causar dao. Estosobjetivos se logran estableciendo una adecuada correlacin entre las condiciones que debe resistir laaislacin de aparatos, las sobretensiones a que pueden estar sometidos en servicio y lascaractersticas de los dispositivos de proteccin contra sobretensiones.

La recomendacin IEC Publicacin 71-1 de 1976 define: La coordinacin de los aislamientoscomprende la seleccin de los niveles de aislacin de aparatos y equipos y su implementacin enfuncin de las tensiones que pueden aparecer en la red a que dicho equipos estn destinados ytomando en consideracin las caractersticas de los dispositivos de proteccin disponibles; todo ellorealizado de modo que se reduzca a un nivel aceptable, desde los puntos de vista tcnico (deoperacin) y econmico, la probabilidad de que las solicitaciones dielctricas que los equipos han desoportar deterioren su aislamiento o afecten la continuidad del servicio.

Se observa que en el problema de la coordinacin de los aislamientos confluyen tres aspectos:

a. Determinar las solicitaciones dielctricas a que cada aparato o instalacin del sistema estarsometido durante su vida til en servicio, tomando debidamente en cuenta los dispositivosespeciales de proteccin que pudieran modificarlas.

b. Investigan el comportamiento de los aisladores que integran el sistema frente a lassolicitaciones dielctricas que debern soportar, teniendo en cuenta las condiciones


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ambientales o de servicio particulares que pudieran presentarse y que influyen sobre dichocomportamiento.

c. Definir, en base al conocimiento de las solicitaciones y de las caractersticas de losaislamientos, los niveles de aislacin adecuados para estos ltimos, ajustndose al criteriotcnico econmico impuesto por el grado de confiabilidad requerido y el riego de fallaaceptable.

2. Solicitaciones en Servicio.2.1. Generalidades

2.1.1. Clasificacin

El cuadro de la figura 1 muestra una clasificacin sinttica de las solicitaciones que deben soportar los aislamientos elctricos durante su vida til en servicio.

Entre las solicitaciones dielctricas se distinguen dos categoras:

a. Solicitaciones dielctricas normales, debidas a la tensin elctrica normal de servicio prevista.

b. Solicitaciones dielctricas excepcionales, llamadas generalmente sobretensiones queexceden en magnitud a la mxima tensin de servicio, pero que slo aparecenocasionalmente y cuya duracin es insignificante con la vida til esperada del aislamiento.

A las sobretensiones se las ha clasificado tradicionalmente en dos tipos segn su origen, a saber:

Sobretensiones extremas, provocadas por descargas de origen atmosfrico

Sobretensiones internas, debidas a cambios del estado de funcionamiento del sistemaelctrico (fallas, maniobra de conexin y desconexin de circuitos y aparatos, etc.)

El comportamiento de los aislamientos frente a una sobretensin depende tanto de la magnitudmxima que sta alcanza como tambin de la duracin o forma de variacin en el tiempo, designadacomo forma de onda de la sobretensin. Por ello, la clasificacin de las sobretensiones en externase internas resulta insuficiente para una caracterizacin adecuada de las solicitaciones que en serviciodebe soportar un aislamiento. Es por ello que actualmente se suelen diferenciar, en base a la formade onda de la tensin en por lo menos cuatro clases:

1) Sobretensiones por descargas atmosfricas, cuya duracin total no excede de algunasdecenas o centenas de microsegundos y que son esencialmente unidireccionales (sincambios de polaridad), pero presenta amplias variaciones de tensin producidas bruscamenteen tiempos del orden de unos pocos microsegundos.

2) Sobretensiones de maniobra, cuya duracin es de algunos microsegundos, sonunidireccionales o con oscilaciones fuertemente amortiguadas, presentando variacionesnotables de tensin en tiempos del orden de las dcimas de microsegundos.

3) Sobretensiones temporarias de frecuencia industrial, duran algunos segundo,excepcionalmente minutos, y son esencialmente oscilatorias con amortiguacin reducida yfrecuencias del orden de decenas o algunas centenas de Hz.

4) Sobretensiones continuas temporarias, que pueden presentarse en sistemas de corrientecontinua de AT con duracin de segundo o excepcionalmente minutos.

Las denominaciones utilizadas para designar las clases de sobretensiones es convencional, norespondiendo necesariamente a consideraciones sobre su origen. Por ello, si bien la mayora de lassobretensiones originadas por maniobras caen dentro de las sobretensiones de maniobra , hay


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ocasiones en que por su forma y duracin deben clasificarse en el grupo de sobretensionestemporarias a frecuencia industrial.

Adems de las solicitaciones dielctricas que se acaban de mencionar, los aislamientos de losaparato de un sistema elctrico deben soportar otras que influyen sobre su comportamiento comoaislantes elctricos. A estas solicitaciones se las suele designar condiciones de servicio e incluyentanto a fenmenos aleatorios que pueden afectar ciertos aislamientos slo en forma temporaria(condiciones atmosfricas, contaminacin ambiente, etc.) como procesos que pueden modificar lapropia naturaleza de los materiales aislantes que lo componen (envejecimiento, calentamiento, etc.)

2.1.2. Forma de ondas normalizadas para ensayos

En la prctica los aislamientos son de tal complejidad que no es posible inferir con exactitud sucomportamiento con respecto a los distintos tipos de solicitaciones dielctricas con solo conocer lascaractersticas y propiedades fsicas de los materiales aislantes que los integran. Por elloineludiblemente debern recurrirse a pruebas de laboratorio a escala real, ya sea sobre prototipos osobre los equipos completos, para evaluar con suficiente margen de confianza cual habr de ser elcomportamiento probable de cierto aislamiento en condiciones de utilizacin prevista.

Los aislamientos se comportan en general de distinta manera frente a solicitaciones que tienendistinta forma de onda, es de suponer que en un laboratorio se debern poder reproducir dichassolicitaciones. Dado que ello es imposible por la variedad, se utilizan 4 tipos de solicitaciones, siendocada una de ellas representativa de la clasificacin definida. Se tienen:

1) Impulsos de tensin del tipo atmosfrico.

2) Impulsos de tensin del tipo maniobra.

3) Tensiones alternas de frecuencia industrial.

4) Tensiones continuas.

Respecto a los 2 ltimos tipos, se trata del tipo de tensiones consideradas bsicas en los sistemaselctricos. En cambio, para los 2 tipos de impulsos indicados, se requiere una especificacin de lasformas de onda, de manera de normalizar los ensayos en los distintos laboratorios. De esta forma sehan establecido normas nacionales e internacionales que fijan las formas de onda de los impulsos detensin de ensayo.

Las figuras 2 y 3 muestran respectivamente los parmetros que la IEC Publicacin 60 considerapara la definicin de la forma de onda de los impulsos atmosfricos y de maniobra. Los primeros sedesignan convencionalmente como 1,2/50 s (1,2 s como tiempo convencional de frente y 50 s,como tiempo convencional de cola). Para los impulsos de maniobra se puede utilizar la forma250/2500 s (250 s como tiempo convencional de cresta y 2500 s como tiempo convencional decola). En la figura 4 se comparan las escalas de las solicitaciones.

2.1.3. Reduccin y control de las sobretensiones:

Los medios de control o reduccin de sobretensiones, implican en general cierto costo suplementariode la instalacin, el que debe ser compensado con ventaja por el ahorro del aislamiento que lasmenores sobretensiones permitan, pues de otra manera tales medidas no serian econmicamente

justificable. Este balance tcnico-econmico define la solucin ms adecuada en cada caso.

Se pueden aplicar 3 clases de medios aplicados al control o reduccin de las sobretensiones y desus efectos a saber:

a. Medidas que actuante directa o indirectamente sobre el mecanismo de generacin de las


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sobretensiones, reducen la severidad de estas, modificando su forma y magnitud desde lafuente. Por ejemplo: Resistencias de pre insercin o de desconexin de los disyuntores.

b. Dispositivos que colocados en ciertos lugares de la instalacin actan en el momento en quese hace presente una sobretensin de cierto tipo y magnitud, reduciendo con su accin, laseveridad de la misma. De este modo los aislamientos que se encuentran dentro de la zonade influencia del dispositivo, se encuentran protegidos por este y deben soportar sobretensiones menores. Por ejemplo: explosores y descargadores de sobretensiones de tipoauto vlvula.

c. Medidas tendientes a disminuir la duracin de las interrupciones en servicio cuando seproducen inevitables fallas del aislamiento, de modo tal que la continuidad del servicio se veaafectada por lo menos posible. Por ejemplo: recierre rpido monofsico o trifsico.

2.2. Tensin normal de servicio.

Para el aislamiento de un aparato, la tensin normal de servicio representa una solicitacin dielctricasostenida, de caractersticas y magnitud relativamente constantes y bien determinada (nunca sermayor que la tensin mxima de servicio prevista para el sistema en el cual se ha instalado elaparato). Es esta solicitacin la que se encuentra siempre presente envejeciendo los materialesaislantes, atacando los mismos (contaminacin externa por condiciones ambientales). Es por ello queconstituye el parmetro principal para el diseo de los aislamientos.

La IEC Publicacin 71-1/1976 indica en lo concerniente a la tensin de servicio normal queel aislamiento debe poder soportar en forma permanente la mxima tensin del equipamiento para elcual ha sido diseado. Esto a su vez requiere se estudien:

a. Condiciones de contaminacin a que se encuentran sometidos los aislantes.

b. Envejecimiento o deterioro progresivo que pueden sufrir los aislantes por descargas parcialeso inestabilidad trmica provocada por las solicitaciones dielctricas.

Se indican tres valores caractersticos para describir las solicitaciones dielctricas normales en unared elctrica (IEC Publicacin 71-1, artculos 3,4 y 5):

1) Tensin nominal del sistema, es el valor eficaz de la tensin entre fases con la que se designala red.

2) Tensin mxima del sistema es el valor eficaz de la mxima tensin entre fases que puedeaparecer en cualquier punto de la red y en cualquier instante bajo condiciones normales deservicio.

3) Tensin mxima del equipamiento, es el valor eficaz de la mxima tensin entre fases para lacual se especifica el equipamiento de la red y sus instalaciones en lo referente al aislamiento.

Es a la mxima tensin del equipamiento (U m) a que se ha de referir todas las solicitaciones

dielctricas que aquel debe soportar.Para estudios de coordinacin de los aislamientos, las diversas solicitaciones dielctricas suelen

caracterizarse por su valor de cresta de tensin, expresndose como U U U

mm 816,0

3

2==

Adems se expresa el factor de sobretensin como: particular crestadevalor pU U

pU f S :,

=


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2.3. Sobretensiones temporarias

Las sobretensiones internas a las que conviene dividirlas en temporarias y de maniobras, sonsiempre originadas por cambios bruscos o intempestivos de la configuracin del sistema. Dichoscambios llevan el estado elctrico del sistema (distribucin de corrientes y tensiones) de un rgimenestacionario a otro, pasando por un estado transitorio que en una primera fase, suele presentar bruscos cambios de tensin de considerable magnitud (sobretensiones de maniobras), que seamortiguan rpidamente para dar paso luego a una fase de estado cuasi estacionario, durante elcual la amplitud de la tensin varia lentamente hasta llegar al estado estacionario final. Cuando latensin de la fase cuasi estacionaria, excede la mxima tensin de servicio prevista se la llamasobretensin temporaria o a veces dinmica. En sistemas trifsicos AT y MAT, las sobretensionestemporarias son originadas por:

Efecto Ferranti.

Desconexin brusca de la carga al extremo de una lnea de gran longitud.

Fallas monofsicas a tierra.

Auto excitacin de alternadores por desconexin brusca de carga inductiva o conexin de

carga capacitiva. Resonancia y ferro resonancia (caractersticas no lineales de magnetizacin)

2.4. Sobretensiones de maniobras

Las sobretensiones de maniobra son aquellas que pueden aparecer entre fases o entre fase a tierra yel cambio de configuracin de la red o maniobra que las origina, puede en realidad deberse a causasdiversas, tales como maniobras de conexin o desconexin de circuitos y aparatos, aparicin defallas o cortocircuitos, variaciones bruscas de carga, etc.

As pues las sobretensiones de maniobra, pueden presentar una gran variedad de magnitudes yformas de onda. En general su evaluacin o calculo exacto es bastante complicado, no solamente

por la gran cantidad y variedad de parmetros que intervienen, sino tambin porque muchos de ellos,son a menudo, totalmente desconocidos o se los conoce con muy poca precisin. Adems hayparmetros relacionados con magnitudes que son esencialmente aleatorias. Finalmente variasmaniobras pueden producirse dentro de un intervalo de tiempo tan pequeo, que hay unasuperposicin e interaccin de los diferentes procesos transitorios a que dan lugar. Es por esto quelas herramientas de calculo utilizadas se basan siempre en tcnicas de simulacin con modelos,matemticos o fsicos y que la informacin obtenida suele darse en forma de curvas de distribucinde probabilidades, cuya determinacin es muy onerosa.

Los parmetros que determinan o influyen sobre la naturaleza de un proceso transitorio que da lugar a la aparicin de sobretensiones de maniobra, son numerosos y sus relaciones muy complejas, peropueden distinguirse dos clases de parmetros:

Los que caracterizan el circuito y sus componentes antes y despus de la maniobra(cambio de configuracin).

Los que identifican el tipo, la forma y momento de la ejecucin de la maniobra(caractersticas del interruptor, cortocircuito, etc., que ocasiono el cambio de configuracin).

Las sobretensiones de maniobra ms importantes suelen ser originadas por:

a. Energizacin y re energizacin de lneas largas.

b. Aparicin o supresin brusca de fallas.


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c. Interrupcin de grandes corrientes capacitivas.

d. Interrupcin de pequeas corrientes inductivas.

e. Desconexin brusca de carga al extremo de una lnea de transmisin larga.

2.5. Sobretensiones atmosfricas:

Las sobretensiones de origen atmosfrico (sobretensiones atmosfricas), son ocasionadas por laactividad elctrica natural de la atmsfera que se manifiesta en descargas (rayos) que pueden afectar tanto a las instalaciones de una red elctrica, que se encuentran directamente expuestas a ellas(lneas areas), como a aquellas que estn prximas a las expuestas (subestacionestransformadoras).

Sobre la frecuencia de aparicin, forma y magnitud de las sobretensiones atmosfricas, influyen:

Las caractersticas propias de la actividad atmosfrica y de las descargas a tierra en laubicacin geogrfica de la instalacin que se analiza.

Las particularidades constructivas de esta (geometra de las lneas areas, presencia deconductores de guardia, etc.). La configuracin del sistema que ella integra (n de lneas conectadas una E.T., distanciasentre aparatos, etc.).

Se suelen distinguir 3 tipos de sobretensiones, segn el modo en que son generadas por unadescarga atmosfrica:

a. Sobretensiones atmosfricas producidas por descarga directa sobre los conductores de fasede una lnea area.

b. Sobretensiones producidas por contorneo inverso del aislamiento como consecuencia dedescargas atmosfricas sobre los conductores de guardia o las torres de una lnea area.

c. Sobretensiones inducidas en los conductores de una lnea area cuando se producendescargas atmosfricas a tierra en las proximidades de la misma.

3. Comportamiento de los Aislamientos:3.1. Generalidades.

Se suele designar a los aislamientos de acuerdo a su ubicacin en las condiciones de servicio, segnla siguiente clasificacin:

aislaciones externas para interiorespara exteriores

aislaciones internas

Definiciones adecuadas se pueden encontrar en la norma IRAM 2211, artculos C-6 al C-9.

En la IEC Publicacin 71-1, artculos 10 y 11, se ha introducido una clasificacin de los aislamientossegn su comportamiento natural luego de sufrir una ruptura dielctrica causada por una solicitacindielctrica excesiva.

Distinguiremos as entre:

a. Aislamientos auto regenerativos, que luego de una descarga disruptiva, recuperan


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completamente sus propiedades aislantes.

b. Aislamientos no auto regenerativos, que no logran por si mismo recuperar sus propiedadesdielctricas, luego de una descargar disruptiva.

Desde el punto de vista del diseo de un aislamiento, interesa saber si este puede soportar ciertasolicitacin sin sufrir ruptura dielctrica. Es pues necesario establecer para un aislamientodeterminado, la mxima tensin soportable frente a una solicitacin de forma de onda y duracinespecificadas.

En principio este parmetro indicara que cualquier solicitacin del tipo especificado cuya magnitudexceda la mxima tensin soportable provocara siempre la ruptura dielctrica del aislamiento,mientras que si la magnitud de la solicitacin es menor o igual que la mxima tensin soportable,nunca habra ruptura dielctrica.

Sin embargo, como en el proceso de las descargas elctricas, intervienen fenmenos aleatorios, esevidente que no se puede tener total certeza sobre el comportamiento del aislamiento, de modo quela mxima tensin soportable tendr tambin carcter aleatorio. Es decir, si se determinaexperimentalmente la mxima tensin soportada o resistida por cada uno de una serie de

especimenes idnticos de un aislamiento dado frente a cierto tipo de solicitacin, encontraremos queno es exactamente igual para todos ellos. La mejor manera de describir el comportamiento delaislamiento estudiado es por medio de la funcin estadstica de distribucin de las mximastensiones soportadas que se determinan experimentalmente.

Surge as la posibilidad de definir una tensin soportable estadstica que seria el valor de cresta omagnitud de la solicitacin de forma dada, para la cual la probabilidad de que se produzca unadescarga disruptiva es igual a cierta probabilidad de referencia prefijada. En la IEC-71, articulo 26, seha elegido una probabilidad de referencia igual a 90%.

En el caso de aislamientos auto regenerativos, es fcil realizar una seria de pruebas ensayos queprovean la informacin necesaria para determinar la tensin soportable estadstica, con un gradosuficiente de precisin, ya que un solo espcimen del tipo del aislamiento en estudio, puede ser utilizado repetidas veces en los ensayos, aunque se produzcan descargas disruptivas.

Cuando se trata de aislamiento no auto regenerativos, hara falta ensayar un gran numero deespecimenes, que luego de una descarga disruptiva quedaran inutilizados. Determinar de este modola tensin estadstica soportable seria excesivamente costoso. Es por eso que en la practica seespecifica para los aislamientos no auto regenerativos, una tensin soportable convencional que laIEC 71, articulo 27, define como el valor de cresta o magnitud de una solicitacin de forma dada queel aislamiento ha de soportar cierto numero de veces en el curso de un ensayo sin que se produzcaninguna descarga disruptiva (y sin evidenciar deterioro del aislante).

Evidentemente, si se establece cierta tensin soportable convencional para su aislamiento medianteun ensayo, no quiere decir en absoluto que esta se la mxima solicitud soportable, pero se puede

inferir un cambio con cierto grado de confianza, que solicitaciones menores que la o las de ensayoserian soportadas sin inconvenientes.

3.2. Caractersticas Tensin Tiempo

Para efectuar una correcta coordinacin de los aislamientos de una red, es usual caracterizar a estospor medio de curvas tensin-tiempo , que dan una informacin sinttica de su comportamiento frentea las solicitaciones ordinarias y excepcionales a que pueden estar sometidas en condicionesnormales de servicio.

Interesa saber para un aislamiento dado, que solicitacin dielctrica puede soportar sin que se


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produzca su ruptura dielctrica. Se entiende por ruptura dielctrica al proceso que sufren el o losdielctricos que integran un aislamiento cuando debido a la aplicacin de una solicitacin dielctricaexcesiva se producen deterioros de tal naturaleza que sus propiedades aislantes quedan anuladas.En el proceso de ruptura dielctrica intervienen diversas caractersticas de la solicitacin que laprovoca, principalmente:

Magnitud y polaridad de la tensin aplicada Duracin o forma de onda

Nmero de solicitaciones reiteradas y frecuencia de repeticin

En consecuencia, la curva tensin-tiempo de un aislamiento depende en principio, no solo de laspropiedades intrnsecas de este, sino tambin del tipo de solicitacin aplicada.

3.2.1. Impulso del tipo atmosfrico:

La figura 5 ilustra la caracterstica tensin-tiempo con tensin de impulso del tipo atmosfrico.

Supongamos que a un dispositivo con aislamiento gaseoso le aplicamos sucesivos impulsos detensin de igual forma de onda pero de magnitud creciente. La magnitud de cada uno de ellos podrcaracterizarse por su valor instantneo mximo o de cresta U , el cual se produce en cr T t = ,considerando como origen t = 0 el instante en que se inicia el impulso de tensin.

Se observa as que para valores 0 U U < no se producen rupturas dielctricas, siendo 0U la tensin

disruptiva de dicho aislamiento para la forma de onda especificada. Si 0 U U > , se tienen descargas

disruptivas que se manifiestan por un colapso de tensin sobre la cola de onda ( U no mucho mayor que 0U y cr r T t > ) y en otras ocasiones sobre el frente de la misma (cuando 0 U U >>> y cr r T t < ).

Cuando la ruptura es sobre la cola de la onda, para definir los puntos de la caracterstica tensin-tiempo, conviene considerar los tiempos a la ruptura t r contados a partir de t = 0 y loscorrespondientes valores de tensin de cresta del impulso U , ya que esta magnitud indica el mximovalor instantneo de solicitacin que ha soportado el aislamiento antes de la ruptura. Por otra parte,cuando la ruptura es sobre el frente de la onda, deben elegirse como puntos de la caractersticatensin tiempo, las determinadas por t r y la tensin U U r < alcanzada en el momento deproducirse la ruptura, ya que con respecto al proceso de esta o al evaluar la tensin instantneamxima realmente soportada por el aislamiento no tienen ninguna relevancia los valores que lasolicitacin hubiera alcanzado para tiempos t > t r .

Finalmente, la caracterstica tensin tiempo trazada estar compuesta por dos zonas, tal como semuestra en la figura 6 . En cr T t = , el limite entre ambas zonas, la curva representativa de lacaracterizacin tensin-tiempo, presentara una ligera inflexin.

Lo que en realidad se obtiene luego de una serie de ensayos, es una nube de puntos en el plano ( U ,tr ) que permiten definir una franja cuya tendencia general es la mostrada en la figura 6 . La disposicinde los puntos dentro de una franja se debe a las variaciones aleatorias de las condiciones de ensayoy a las implcitas en el propio proceso de la ruptura dielctrica.

3.2.2. Impulso del tipo de maniobra:

Para tensiones de impulso del tipo de maniobra el comportamiento de un aislante auto regenerativo,


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especialmente de espacios en aire, es muy diferente al que se acaba de analizar para los impulsosdel tipo atmosfrico.

Los tiempos de frente y de cola de los impulsos de maniobra son mucho mayores que lo de losatmosfricos, lo que implica que para tiempos cercanos a T cr , la tensin varia mucho mas lentamente,esto es, valores de tensin cercanos al de cresta se mantienen sobre el aislamiento tiempo suficientecomo para dar lugar a la formacin de la descarga disruptiva completa, si es que se ha excedido ellimite de la tensin critica correspondiente a la forma de onda utilizada. En consecuencia, aun paratensiones de cresta que son levemente superior a la tensin crtica, la ruptura dielctrica se producecasi siempre sobre la cresta de la onda o sobre su frente, pero en la mayora de los casos prcticosprxima a la cresta. Por otra parte, se puede comprobar que la tensin de cresta critica 0U varia conla forma de onda de impulso aplicada, en particular en funcin del tiempo a la cresta T cr .

Se ve entonces que el comportamiento de una aislamiento a solicitaciones del tipo de los impulsos demaniobra, se podr caracterizar a los fines prcticos por medio de una curva tensin disruptivacritica tiempo a la cresta ( 0U vs. T cr ), como muestra la figura 7 . Una caracterstica 0U - Tcr es unasimplificacin ya que no se ha tenido en cuenta el carcter aleatorio implcito en el proceso de laruptura dielctrica.

Una particularidad de los aislamientos auto regenerativos frente a los impulsos del tipo de maniobraes que su caracterstica tensin-tiempo suele presentar un mnimo tal como se observa en la figura 7 .

3.2.3. Tensin alterna de frecuencia industrial y tensin continua:

Para estudiar como se comporta un aislamiento sometido a una tensin continua o alterna defrecuencia industrial, se la puede aplicar una tensin del tipo elegido partiendo de una amplitud cero,incrementndola luego en forma rpida y regular hasta alcanzar en unos pocos segundos cierto valor previamente especificado y mantenindola finalmente con esta amplitud hasta que se produzca unadescarga disruptiva.

Es intuitivamente lgico, pensar que cuanto mayor sea la amplitud f U , de una tensin de frecuenciaf aplicada en forma sostenida, menor ser el tiempo t a que transcurre desde el momento en que seinicio una aplicacin y el de la ruptura dielctrica, si esta se produce.

As pues, una curva tensin tiempo de f U vs. t a , ofrecer una adecuada caracterizacin delaislamiento sometido a este tipo de solicitacin ( figura 8 ).

Para las aplicaciones practicas seria conveniente conocer la caracterstica tensin-tiempo delaislamiento considerado durante toda la vida til del mismo (hasta 20 o 30 aos), pero esto esprcticamente imposible de conseguir por razones econmicas y de tiempo. Se puede sin embargoestimar la tendencia general partiendo de pruebas realizadas en tiempos que duran algunos minutos

o a lo mucho horas, lo cual se considera suficiente.

El proceso que lleva a la ruptura dielctrica puede originarse en fenmenos de muy diversanaturaleza, como ser:

puramente elctricos (ionizacin debido al campo elctrico en el seno del material aislante)

electroqumicos (progreso deterioro qumico del material)

electrotrmicos (calentamiento por perdidas dielctricas)


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Influyen adems en el desarrollo de estos procesos factores tanto internos (propiedades y calidad delos materiales aislantes), como externos (temperatura ambiente, contaminacin, etc.)

En este caso tambin la caracterstica tensin-tiempo no es una curva ntida sino una franja ms omenos difusa.

3.2.4. Caracterstica tensin-tiempo compuesta:

La figura 9 que ejemplifica una caracterstica tensin tiempo compuesta, o sea superpuestas lascaractersticas tensin-tiempo-particulares.

Necesariamente como los tiempos de inters pueden ser del orden de los microsegundos (impulsosatmosfricos) a millones de segundos (frecuencia industrial) la escala de tiempos ha debidograduarse en forma logartmica.

3.3. Aislamientos en paralelo Dispositivos de proteccin.

El conocimiento de las caractersticas tensin-tiempo de los aislamientos de los distintos aparatos

que integran una instalacin AT, es necesaria para poder evaluar el comportamiento de la instalacinen conjunto frente a los diferentes tipos de solicitaciones elctricas a que esta sometida.

El caso mas simple es aquel en que dos aparatos estn conectados en paralelo a un punto de lainstalacin donde aparecen las solicitaciones elctricas que se analizan, de modo que ambos recibensimultneamente igual solicitacin.

Segn sea la forma de onda de la solicitacin (atmosfrica, de maniobra o de frecuencia industrial),habr que elegir las caractersticas tensin-tiempo correspondientes, para ambos aislamiento yrepresentarlas grficamente sobre un mismo sistema de coordenadas. En la figura 10 las curvas A yB representan sendas caractersticas tensin-tiempo, comparando estas curvas surgen las siguientesobservaciones:

a. Si el valor U de la solicitacin resulta mayor que U p, el aislamiento correspondiente a la curvaB, sufrir una descarga disruptiva antes que el A. Mas an, como al producirse la descargaen B la tensin sufre un colapso en el punto en que A y B estn conectados, entonces elaislamiento A no es sometido a solicitacin alguna y en consecuencia en A no habrdescarga disruptiva.

b. Si U < U p, sucede todo lo contrario, el aislamiento A es el que puede presentar descargadisruptiva.

c. Cuando U = U p, la probabilidad de las descargas disruptivas, se repartir entre A y B, esigualmente probable que sea A B, el primero de los aislamientos en presentar una descargadisruptiva y cuando esta suceda el otro no lo sufrir.

El anlisis hecho tiene una aplicacin en el concepto de proteccin de un aislamiento. Si elaislamiento A es auto regenerativo (un explosor de puntas) y el B es no-auto regenerativo (untransformador), vemos que el A protege al B de toda solicitacin cuya magnitud sea inferior a Up,tensin que llamaramos mxima tensin de proteccin efectiva de A (dispositivo protector) conrespecto a B (aislamiento a proteger)

Adems cuando se trata de solicitaciones impulsivas (atmosfricas o de maniobras) y es t p < T cr , eldispositivo protector A actuara eficazmente protegiendo al aislamiento B en presencia de ciertassolicitaciones de la forma de onda especificada que, aunque pudieran potencialmente alcanzar magnitudes mayores que Up, presentan en el frente de la onda una velocidad media de crecimientode la tensin inferior a U p / trp (pendiente de la recta de trazos que pasa por el origen en la figura 10 ).


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Para que un dispositivo protector sea eficaz frente a cualquier solicitacin, su curva caractersticatensin tiempo deben quedar a la izquierda de la del aislamiento a proteger. Cuando ello no sucedecomo en la figura 10 , deber asegurarse que solicitaciones mayores que Up (o cuya velocidad decrecimiento de la tensin en el frente de la onda sea superior a U p / t rp), no habrn de presentarse enel punto de la instalacin considerada. En base a este principio, se eligen en la prctica todos losdispositivos de proteccin contra sobretensiones en las instalaciones de AT.

3.4. Niveles de aislacin Normas Ensayos.

A continuacin se analiza como se determinan las caractersticas tensin-tiempo:

La complejidad de las estructuras aislantes en aplicaciones tcnicas y la de los mismos procesos queintervienen en la ruptura dielctrica hacen imposible una estimacin de las caractersticas tensin-tiempo por medio de clculos y en base solamente al conocimiento de las leyes tericas decomportamiento de los distintos materiales involucrados. Solo es practicable una determinacinemprica a travs de ensayos sistemticos realizados en laboratorio, ya sea sobre los mismosaparatos cuyos aislamientos se quiere comprobar o sobre modelos y prototipos.

Aun en el caso en el que se dispone de las instalaciones de laboratorio adecuadas, definir completamente las caractersticas tensin tiempo de todos los aislamientos utilizados en la prcticaen el rango de los s a los millones de segundos es absolutamente imposible por la incalculablecantidad de tiempo que seria necesario utilizar para ello.

Es por estas razones que para las aplicaciones tcnicas es necesario limitar la cantidad de pruebasde laboratorio al mnimo suficiente como para definir los puntos o tramos fundamentales de lascurvas tensin-tiempo, infirindose luego el comportamiento general del aislamiento a partir de esenumero limitado de resultados, completados por la experiencia anterior de casos similares y elconocimiento terico y emprico de las propiedades de los materiales que integran el aislamiento y desu aplicacin particular en el aparato estudiado.

As pues, un aislamiento tcnico suele especificarse refirindose solamente a dos o tres niveles de

aislacin, los que deber superar para considerrselo apto en la aplicacin prevista:

el nivel de aislacin a frecuencia industrial de corta duracin (50 Hz, 1 minuto)

el nivel de aislacin a impulsos atmosfricos (1,2/50 s)

el nivel de aislacin a impulsos de maniobra (250/2500 s)

La aptitud del aislamiento para soportar cierto nivel de tensin de cada tipo se comprueba medianteun ensayo de laboratorio durante el cual se lo somete a una solicitacin de valor especificado encondiciones determinadas.

Estas pruebas de laboratorio, se consideran satisfactorias si el aislamiento no evidencia ningndeterioro de sus propiedades aislantes. Para cada tipo de ensayo, el valor de la solicitacin aplicadaal aislamiento y soportada satisfactoriamente por este define su nivel de aislacin a ese tipo desolicitacin.

Generalmente adems de los niveles de aislacin del aislamiento se especifican condicionesespeciales de utilizacin: esfuerzos mecnicos que debe soportar, condiciones atmosfricas (hielo,lluvia, contaminacin, etc.), temperatura mxima de funcionamiento, etc. En tal caso, tambin debercomprobarse su aptitud para soportar correctamente las condiciones previstas y en consecuencia, serealizaran pruebas especiales para ello en el laboratorio.

Es necesario especificar muy bien las condiciones en que se deben realizar los ensayos, tolerancias


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admitidas en las formas de onda de las tensiones de ensayo, precisin de las mediciones,temperatura y presin ambiente, etc.

Por ello, surge la necesidad de establecer normas de ensayo. Estas normas se fijan en base a laexperiencia emprica y al conocimiento general disponible sobre la tecnologa ampliamente conociday que orienta la fabricacin y aplicacin de la mayora de los equipos e instalaciones usuales. Conrelacin a los aislamientos para instalaciones y equipos de redes de AT, las principales normas IRAMy recomendaciones IEC en uso son:

IRAM 2211: Coordinacin de la aislacin elctrica Octubre de 1972.

I.E.C. 38: I.E.C. Standard Voltajes (5 edicin - 1975)

I.E.C. 71-1: Insulation co-ordination Part. 1: Terms, definitions, principles and rules (6 Edicin 1976)

I.E.C. 71-2: Insulation co-ordination Part. 2: Application Guide (2 Edicin 1976)

4. Coordinacin de los niveles de aislacin:

Parecera que siendo las tensiones normales de servicio solicitaciones dielctricas de menor magnitud que las sobretensiones, han de ser estas ultimas, los factores predominantes a considerar para el diseo de los aislamientos. Sin embargo, las sobretensiones solo se presentanocasionalmente y son de muy corta duracin, resultando as que en la mayora de los casos, lo msconveniente es adoptar medidas especiales para controlarlas y reducirlas de modo que no actendirectamente sobre los aislamientos principales, mientras que estos ltimos se dimensionanfundamentalmente en base a las tensiones normales de servicio, que son las solicitaciones realmenteinevitables y que estn presente durante toda la vida til del aislamiento.

Dentro de esta filosofa general de diseo, una evaluacin tcnico-econmica ser siempre la quedefina el dimensionamiento final. La implementacin de los medios tcnicos, que se adoptan paracontrolar o reducir las sobretensiones, debern ocasionar un gasto inferior al ahorro que sobre eldiseo del aislamiento principal posibilita la correspondiente reduccin de las solicitaciones.

El primer factor a considerar en el diseo de los aislamientos, debe ser la tensin nominal de servicio,ajustando este diseo desde un punto de vista tcnico-econmico, teniendo en cuenta la magnitud yclase de las sobretensiones que se esperan, su probable frecuencia de repeticin, los medios paracontrolarlas o limitarlas y el riesgo de falla de aislacin compatible con la confiabilidad requerible delsistema. La coordinacin debe realizarse en dos sentidos:

a. seleccionar para cada equipo el aislamiento adecuado para soportar las solicitacionesprevistas

b. coordinar los niveles de aislacin de los equipos entre si y con los dispositivos de proteccin,de modo de minimizar el costo para un riesgo de falla determinado

4.1. Niveles de aislacin normalizados.

Para una aplicacin dada, un aislamiento suele especificarse refirindose solamente a los tres nivelesde aislacin indicados en el punto 3.4.

La aptitud del aislamiento para soportar cierto nivel de tensin de cada tipo se comprueba medianteun ensayo de laboratorio, durante el cual se lo somete a una solicitacin de valor especificado encondiciones determinadas. Para cada tipo de ensayo, el valor de la solicitacin aplicada alaislamiento y soportada satisfactoriamente por este define su nivel de aislacin a ese tipo desolicitacin y en las condiciones especificadas.


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El nivel de aislacin a impulsos atmosfricos (1,2 / 50) se denomina nivel bsico de aislacin (NBA BIL: basic insulation level). Seria mas correcto referirse al nivel de impulsos de maniobrasoportadas por la aislacin.

El nivel de aislacin a impulsos de maniobra (250/2500), puede identificarse como NAIM SIL (switching insulation level ). Una denominacin ms acertada sera la de nivel de impulso demaniobra soportada.

El factor dimensionante primordial de un aislamiento es la tensin de servicio, por lo cual no esextrao que para cada tensin de servicio, las variaciones posibles en el diseo de un aislamientoson marginales, ligadas a la mayor o menor proporcin de sobretensiones a soportar. Para cadatensin de servicio, los niveles de aislacin que pueden requerir los distintos equipos varan dentro delmites reducidos. Por ejemplo, para una red de tensin mxima de servicio de 145 KV, el aislamientopuede tener un NBA entre 450 a 650 KV.

El cuadro de la figura 11 muestran los niveles de aislacin indicados por la norma IRAM 2211 y el dela figura 12 , los correspondientes a la norma IEC 71, correspondientes a tensiones de serviciomximas, superior a 300 KV.

La coordinacin de los aislamientos consistir entonces en la seleccin ordenada, de entre losniveles de aislacin normalizados, de aquellos que conviene especificar para los distintos equipos demodo de obtener la seguridad de servicio deseada al menor costo posible.

4.2. Enfoques para la coordinacin de aislamientos.

El cuadro de la figura 13 enuncia en forma sinttica, los principales aspectos que debe considerarsepara la evaluacin tcnica de alternativas de coordinacin.

La presencia de diversos tipos de solicitaciones, distintas clases de aislantes y diferentes criterios deevaluacin tcnica, dan lugar al problema de coordinacin de aislacin, caractersticas complejas.

En la figura 14 se muestra que las sobretensiones atmosfricas son dominantes para tensiones deservicio inferiores a 400 KV. Para niveles de tensiones superiores, adquieren importancia las demaniobra, si se consideran para estas una magnitud mxima de 2,5 pu.

Por ello conviene adoptar medios para reducir las sobretensiones de maniobra en los sistemas deMAT a valores inferiores a 2 pu. Las distancias disruptivas criticas en aire para las ondas de impulsodel tipo maniobra crecen en forma proporcional a la tensin de cresta del impulso elevado a unapotencia mayor que 1 ( figura 15 ), mientras que esto no sucede para los impulsos atmosfricos. Estosignifica que se requieren cada vez mayores inversiones marginales para soportar, a mayorestensiones de servicio, una magnitud constante en valores de pu de sobretensiones de maniobra.Dicho efecto es extremadamente importante a tensiones nominales superiores a 700 KV ( figura 16 ).

Es entonces plenamente justificado utilizar dispositivos de control y reduccin de las sobre tensionesde maniobra hasta niveles prximos a 1,5 pu.

Al adoptar estas medidas, se llega a valores prximos a los de mxima sobretensiones temporarias afrecuencia industrial, las cuales condicionan a su vez la aplicacin de los dispositivos de proteccincontra sobre tensiones, tales como descargadores.

4.3. Procedimiento de coordinacin de los aislamientos en AT.

Los aislamientos se pueden clasificar en auto regenerativos y no auto regenerativos. Entre losprimeros podemos citar las cadenas de aisladores de lneas areas o el aislamiento de un


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seccionador. A la segunda categora pertenece el aislamiento interno de un transformador.

Debido a la manera distinta en que estos dos tipos de aislamientos se comportan, resulta necesarioproteger a los no-auto regenerativos de las excesivas sobretensiones (mediante descargadores),mientras que los auto regenerativos, son generalmente aislamientos no protegidos.

En la figura 17 se ha esquematizado la secuencia lgica de desarrollo de los momentos queconstituyen el procedimiento de la coordinacin, destacndose el tratamiento diferente dado a losaislamientos auto regenerativos y a los no-auto regenerativos.

El punto de partida del dimensionamiento es la tensin de servicio (bloque 1) del sistema y lascaractersticas estructurales y operativas de la red (bloque 2). Con estos datos iniciales se calculanlas sobre tensiones temporarias previstas, se selecciona un nivel de aislacin general para todos losequipos, ya sea que tenga aislamiento auto regenerativo o no (bloque 5). Se elige a continuacin losdescargadores de sobretensin (bloque 6), cuya tensin nominal debe ser ligeramente superior a lasmximas sobretensiones temporarias. Elegidos los descargadores de sobretensiones se losdistribuye de modo tal de proteger adecuadamente todos los aislamientos no-auto regenerativos. Sefija luego el nivel de proteccin conseguido, es decir, la magnitud a que quedan reducidas lasmximas sobretensiones de origen atmosfrico por el efecto limitador de los descargadores y enfuncin de este se ajustan los aislamientos no-auto regenerativos (bloque 7), eligiendo un NBAligeramente superior al nivel de proteccin asegurado por el descargador (f s = 1,25).

Corresponde finalmente verificar el nivel de proteccin que pueden asegurar los descargadoreselegidos con respecto a las sobre tensiones de maniobra y definir en consecuencia el NAIM para losaislamientos no auto regenerativos (lnea de trazos del bloque 4 al 7).

Si los aislamientos no auto regenerativos as definidos resultasen excesivamente onerosos, seintentara modificar la concepcin estructural de la red o sus condiciones operativas de modo que sereduzcan las sobretensiones temporarias (lnea de trazo del bloque 7 al 2). Esta reduccin permitirelegir descargadores de menor tensin nominal y por consiguiente, con menores niveles deproteccin, lo que a su vez posibilita una reduccin de los niveles de aislacin de los aislamientos no-

auto regenerativos. Este procedimiento de aproximaciones sucesivas se contina hasta lograr nivelesde aislacin tcnicamente adecuados y econmicamente aceptables.

Se procede luego a ajustar los aislamientos auto regenerativos (bloque 8), fijando para ello un NAIMsuperior al valor de las mximas sobre tensiones de maniobra que se pueden esperar (bloque 4),debidamente corregidas luego de las modificaciones que pueden haberse introducido a la reddurante el proceso de seleccin de los aislamientos no-auto regenerativos. El factor de seguridad autilizar vara de 1,15 a 1,25.

Si los aislamientos auto regenerativos parecieran ser demasiado caros, se debern considerar medidas adecuadas de control de las sobretensiones de maniobra modificando convenientementelas caractersticas de la red (lnea de trazos del bloque 8 al 2) y en funcin de estas modificacionesrecalcular las sobre tensiones mximas (bloque 4) y reajustar los aislamientos (bloque 8). Debertenerse tambin en cuenta el posible efecto reductor de las sobretensiones de maniobra que enalgunos casos pueden soportar los descargadores (lnea de trazos del bloque 6 al 8).

Luego de determinar las caractersticas de las descargas atmosfricas en la zona geogrfica de lainstalacin (bloque 9) y teniendo en cuenta los datos relevantes del diseo de esta ultima (bloque 10:resistencias de puesta a tierra, hilo de guardia, NBA de lneas, etc.) se calculan las sobre tensionesde origen atmosfrico que habrn de soportar los aislamientos no protegidos (bloque 11).

Una vez determinada las solicitaciones de este tipo, se elige el NBA conveniente y si es necesario, sereajustan los aislamientos auto regenerativos (bloque 12) para asegurar que poseen un NBA


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suficiente, manteniendo a la vez el NAIM mnimo definido anteriormente (bloque 8).

Si los aislamientos as definidos no resultan econmicamente aceptables, se modificaran lascaractersticas de la instalacin para reducir a valores convenientes las sobre tensiones atmosfricasresultantes (lnea de trazos del bloque 12 al 10).

El procedimiento descrito en forma esquemtica, muestra la complejidad de la coordinacin de losniveles de aislacin, tanto desde el punto de vista tcnico, como del econmico.


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Figura 1

Figura 2


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Figura 3

Figura 4


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Figura 5

Figura 6 Figura 7

Figura 8


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Figura 9

Figura 10


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Coordinacin de la aislacin para los sistemas elctricos segn la Norma IRAM 2211 1972 (losaisladores pasantes de transformadores, debern soportar adems, una tensin de ensayo con ondade impulso, cuyo valor de cresta sea 1,15 veces la tensin de ensayo con onda de impulso,correspondiente al transformador en que el aislador va instalado).

Figura 11

Figura 12


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Aspectos considerados para una evaluacin tcnica de la coordinacin de aislamientos frente a losdistintos tipos de solicitaciones.

Figura 13

Figura 14


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Figura 15

Figura 16


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Figura 17


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