Protección de las subestaciones contra el sobrevoltaje

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Proteger las subestaciones de los rayos y los sobrevoltajes de maniobra que provocan el contorneamiento del aislamiento ha sido un asunto clave desde que han existido los sistemas eléctricos. A pesar de que esta ha sido una necesidad constante por más de 100 años, las opciones para mitigar mejor el stress de voltaje alto han cambiado sustancialmente. Jonathan Woodworth, experto en pararrayos, analiza los diferentes escenarios, las diferentes opciones que hay disponibles actualmente y la lógica que hay detrás de cada caso específico.


Ejemplo de subestación con pararrayos de entrada de línea, pararrayos primarios, pararrayos secundarios y protección con OHWG.

Factores a considerar para la protección de la subestación

A continuación, se enumeran y abarcan las consideraciones que hay que tener en cuenta cuando hablamos de la protección de las subestaciones. Además, se muestran distintos criterios de desempeño:

Tasa de falla

Esta consiste en el número aceptable de fallas de aislamiento durante la vida útil de la estación. Por lo general, una estación se diseña de acuerdo con algunos niveles de desempeño cuantificables según se describe en la sección 3.4 de IEC 60071-2 y en IEEE 1313.2. Además, la IEC 62305-2-2010 identifica los riesgos tolerables para una subestación, donde el nivel de riesgo se ve afectado por los distintos tipos de pérdida de servicio.

Nivel de voltaje soportado especificado (Urw) para el aislamiento

Este se da desde el punto de vista de los tipos de sobrevoltajes tales como de frente rápido, muy rápido, lento y sobrevoltajes temporales.

Márgenes de seguridad

Generalmente, en las subestaciones se utilizan márgenes de seguridad de 15 % para los devanados del transformador y 5 % para el aislamiento en aire.

Distancia de separación

Se refiere a la distancia entre el pararrayos y el equipo que se pretende proteger. Si es demasiado grande y debido a las reflexiones y las ondas viajeras, el voltaje en el equipo protegido podría exceder su nivel de aislamiento especificado.

Protección contra interruptor automático abierto

Los interruptores automáticos en posición abierta dejan el bushing del interruptor automático del lado de la línea 100 % sin protección si los pararrayos no se instalan en el terminal de línea. Aunque la probabilidad de que esto ocurra es baja, en las estaciones críticas la protección contra un interruptor automático abierto puede ser importante.

Altitud

El desempeño del sobrevoltaje del aislamiento en una subestación depende mucho de la elevación porque el voltaje soportado del aislamiento se reduce ~11 % por cada 1000 m de aumento en la altitud. Debido a esto, a mayor altura se necesitan aisladores más grandes y la protección con pararrayos se hace incluso más importante. A veces también se requiere que los pararrayos sean más grandes por los requerimientos de frecuencia eléctrica.

Tipo de aislamiento

Algunos aislamientos pueden soportar contorneamientos sin verse dañados, mientras que otros no. Los aisladores en aire son un aislamiento del tipo autorrestaurable que depende del aire que lo rodea para su capacidad de aislamiento fuera del cuerpo del aislador. Pero si el stress de voltaje en el aire excede su capacidad soportada, el aislamiento experimentará una falla por contorneamiento. Sin embargo, una vez que el contorneamiento ha desaparecido, el aislamiento aguanta el voltaje de línea como lo hacía antes del sobrevoltaje. Los aisladores de columna, los aisladores de tensión, los bushings de separación de interruptor y las terminaciones de cable son todos ejemplos de distintos tipos de aislamiento autorrestaurable. Por el contrario, los devanados del transformador y todo el aislamiento tipo aceite/papel no se puede recuperar de una descarga disruptiva y, por lo tanto, se consideran como aislamiento no autorrestaurable. Una vez que ha ocurrido una falla en este tipo de aislamiento no autorrestaurable, será necesario renovar o cambiar el equipo. Otros tipos de aislamiento no autorrestaurable que se pueden mencionar son las líneas eléctricas subterráneas, los componentes internos de CCVT, PT y CT.

En la protección de las subestaciones, el tipo de aislamiento dicta el nivel y el costo de la mitigación para lograr una protección apropiada, así por lo general, el aislamiento no autorrestaurable se protege con esfuerzo y costo mayores.

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Activos que requieren protección contra sobrevoltaje

Mundialmente, el devanado primario de un transformador eléctrico se protege en el transformador con pararrayos. Esto ocurre porque generalmente el transformador es el activo de más alto valor en una subestación y a menudo tiene el voltaje soportado a sobrevoltaje más bajo. Se puede indicar con confianza que el 99 % de todos los devanados primarios de los transformadores eléctricos en las subestaciones al aire libre aisladas en aire se protegen con pararrayos. Los devanados secundarios son el segundo aislamiento más protegido mundialmente en una subestación equipada con un transformador eléctrico. Estos devanados no se ven tan expuestos a sobrevoltajes y, por lo tanto, tal vez solo alrededor de un 75 % del tiempo se protegen con pararrayos.

Activo de alto valor con protección primaria y secundaria.

Bushings del transformador

Tanto los bushings primarios como secundarios del transformador se protegen por defecto con los mismos pararrayos con los que se protegen los devanados del transformador. Si el neutro del transformador sale del transformador a través de un bushing y se conecta a un resistor a tierra neutro, se debería considerar utilizar un pararrayos para proteger tanto el resistor a tierra como el bushing.

Terminaciones de los cables

Por lo general, en una subestación las terminaciones de los cables se parean con pararrayos. Pero en este caso la protección está más enfocada en el cable porque la terminación es un aislamiento autorrecuperable mientras que el cable no. Si el aislamiento del cable se daña a causa de un sobrevoltaje, la reparación de ese activo será una tarea costosa.

Bushings del interruptor automático & aislamiento longitudinal

En una subestación, los bushings del interruptor automático y el aislamiento longitudinal interno entre los contactos también son activos de alto valor. Sin embargo, por lo general no se protegen tan bien como los transformadores eléctricos y debería hacerse. A continuación, se explica esto con más detalles.

Equipo de medición

Los CCVT y PT para el monitoreo del voltaje son costosos. Si los hay en una subestación, su protección debería ser un asunto considerado de prioridad alta. Cuando se diseñan las subestaciones, a veces estos dispositivos se ubican en lugares donde en realidad se hacen parte del esquema de protección debido a su capacitancia.

Grupos de capacitores de derivación

Pueden absorber una carga significativa de los rayos o del sobrevoltaje de maniobra sin dañarse. Por lo tanto, si un grupo contiene muchos Mvar, no es probable que sea necesario protegerlo contra el sobrevoltaje. Sin embargo, puede que los grupos más pequeños no sean capaces de soportar un gran sobrevoltaje sin sobrecargarse y contornearse por lo que a menudo sí necesitan protección. Independientemente de si el grupo es grande o pequeño, también se debería evaluar la necesidad de proteger el sistema del grupo con pararrayos.

Subestación con grupo de derivación con protección de pararrayos.

Fuentes de sobrevoltaje & métodos de mitigación

Golpe directo de un rayo a la subestación

Los golpes directos a las subestaciones ocurren, aunque es raro que un destello golpeé directamente el equipo. Esto se debe a que mundialmente las estaciones se protegen contra esto con cables o postes de pararrayos. Por ejemplo, los cables de pararrayos están ubicados sobre el equipo y alrededor del perímetro de manera que interceptan cualquier golpe y lo transfieren a la tierra. Pero, incluso aunque se desvíe un golpe directo, existe la posibilidad de que un sobrevoltaje inducido logre llegar hasta el equipo. Si el voltaje soportado del aislamiento es mayor que 350 kV, no es probable que ocurra un contorneamiento por un sobrevoltaje inducido. Pero si el voltaje soportado del aislamiento es menor que 350 kV, es necesario tener pararrayos para proteger el equipo de los sobrevoltajes inducidos.

Postes en estación conversora de HVDC en el oeste de Canadá.

Si se utilizan postes, estos se ubican de manera estratégica para que todos los golpes directos los choquen y no lleguen al equipo o bus. La norma más adecuada para diseñar y cuantificar el efecto del apantallamiento de la subestación es IEEE 998.

Subestación de distribución solo con protección de postes.

Sobrevoltajes por Rayos en Líneas Entrantes

La única manera de que un sobrevoltaje por rayo potencialmente dañino desafíe a una subestación es el ingreso por una línea entrante. Si la línea entrante está apantallada, será necesario que haya un backflash, no en muchas áreas retenidas de la subestación, hacia un conductor de fase para que el sobrevoltaje sea un problema. Cuando ocurre un backflash en una torre, este produce un sobrevoltaje que aumenta muy rápido. Pero a medida que el sobrevoltaje pasa hacia abajo por la línea, el efecto corona en la línea reduce la inclinación del frente de la onda viajera de manera que cuando esta alcanza la estación, se ha vuelto manejable.

Pero si el backflash ocurre con una separación de una o dos retenidas aéreas, la inclinación del frente de la onda del sobrevoltaje de entrada es extremadamente alta y tensionará de manera significativa el aislamiento en la subestación, incluso si hay pararrayos instalados. Afortunadamente, los pararrayos de las subestaciones casi nunca ven más que 10-15 kA de corriente de un backflash en una línea entrante. Como resultado, el rayo no los tensiona térmicamente, solo eléctricamente.

Sobrevoltajes de maniobra en líneas entrantes

Los sobrevoltajes de maniobra en las líneas entrantes son el tipo más común de sobrevoltaje que llega a una subestación y pueden viajar cientos de kilómetros por su baja frecuencia en comparación con los rayos. Cuando ingresan este tipo de sobrevoltajes, todo el lado primario de la subestación ve el mismo aumento en el voltaje y los pararrayos del transformador pueden proteger la estación completa. A veces, la energía del sobrevoltaje de maniobra disipada por el pararrayos en los sistemas con voltaje mayor que 240 kV puede ser significativa y desafiar la capacidad que tienen los pararrayos para manejar la energía.

Sobrevoltajes de maniobra creados en las subestaciones

Los sobrevoltajes de maniobra también se generan en la estación por la operación de los interruptores automáticos u otros dispositivos de conmutación. Tanto para los sobrevoltajes de maniobra externos como internos, el punto en la onda AC donde opera el dispositivo tiene un efecto importante en la amplitud del sobrevoltaje. Por ejemplo, cuando se conmuta a un voltaje máximo, se puede generar un sobrevoltaje de 2 a 3 veces el voltaje inicial. En algunos casos, un interruptor automático puede preaccionarse o volver a accionarse durante la operación. Para los sobrevoltajes generados de manera interna, el frente del sobrevoltaje puede aumentar muy rápido y pone en grave riesgo al aislamiento cercano. Para este tipo de sobrevoltaje de maniobra puede que sean necesarias medidas de mitigación especiales con los capacitores de sobrevoltaje y los pararrayos. Si se conmuta un grupo capacitor dentro de una estación, se puede generar un sobrevoltaje significativo que va a necesitar ser mitigado con un pararrayos.

Tipos de subestaciones & consideraciones especiales de protección

Subestaciones de transmisión

Existen diferentes tipos de subestaciones de transmisión, por ejemplo, aquellas con y sin transformadores, estaciones combinadas de transmisión y distribución, aquellas que tienen equipos grandes de control de voltaje como grupos de capacitores en serie, etc. En todos estos casos, se aplican pararrayos para mitigar los sobrevoltajes por rayos y de maniobra que puedan ocurrir. En las estaciones que solo tienen interruptores automáticos y no tienen transformadores se pueden o no instalar pararrayos. Por ejemplo, puede que no sean necesarios si no hay posibles puntos finales o puntos abiertos significativos. Además, si la impedancia de la línea no cambia, no es necesario instalar pararrayos.

En las estaciones de transmisión donde existe un transformador elevador o reductor, se deberían utilizar pararrayos tanto en el lado alto como en el lado bajo del transformador cuando existe la posibilidad de que los sobrevoltajes entren por cualquiera de las dos direcciones. Si existen interruptores automáticos y estos se abren en algún momento, se debería considerar tener pararrayos en la entrada de línea para protegerla. En las subestaciones críticas con interruptores automáticos donde estos se utilizan para resolver fallas, es posible que durante un evento de resolución de falla un segundo sobrevoltaje pueda chocar en el bushing del lado de la línea mientras el interruptor automático está abierto. Ahora bien, el pararrayos en el transformador no puede proteger al bushing y puede ocurrir una duplicación del voltaje junto con el posterior contorneamiento del bushing. Para proteger el bushing del lado de la línea del interruptor automático, se debería instalar un pararrayos en la entrada de la línea.

Ejemplos de pararrayos de la entrada de la línea en sistemas de 500 kV.

Subestaciones de distribución

Una estación de distribución es una que reduce un voltaje de transmisión hasta 34,5 kV o menos y tiene alimentadores de salida hacia áreas urbanas, industriales o comerciales. Estas subestaciones se pueden complicar bastante y puede que tengan muchos tipos de equipo que necesiten protección. Por ejemplo, el lado de la línea del transformador eléctrico siempre debería estar protegido. Sin embargo, si el lado bajo no puede notar un sobrevoltaje, no es necesario que existan pararrayos en ese lado. La excepción a esta regla ocurre cuando el interruptor automático está ubicado en el lado bajo. En este caso, se recomienda que los pararrayos se instalen entre los devanados sensibles y el sobrevoltaje de frente rápido potencialmente peligroso que un interruptor automático pueda crear.

En las salidas de un alimentador de distribución donde los sobrevoltajes por rayo puedan entrar a la estación, siempre se deberían aplicar pararrayos para mitigar estos sobrevoltajes que invariablemente llegarán tarde o temprano. Si estos pararrayos están lo suficientemente cerca del lado de VB del transformador eléctrico, también se pueden utilizar como protección para el transformador.

Otra condición que a menudo se ve en las estaciones de distribución es el uso de resistores de puesta a tierra de neutro (NGR) para limitar la corriente de falla en el sistema. Cuando se utilizan NGR, es necesario que se aumenten la Uc y el MCOV nominales de los pararrayos para que respondan a los sobrevoltajes de amplitud potencialmente larga y alta que ocurren.

Subestaciones interiores aisladas en aire

Subestación interior aislada en aire en Nueva Zelanda.

Las subestaciones cerradas pueden tener desde unos pocos componentes hasta un edificio completo lleno de equipos eléctricos. Por ejemplo, los complejos industriales a menudo albergan numerosas estaciones internas y se deben tratar de igual manera que cualquier subestación exterior aislada en aire. Un problema que puede surgir con este tipo de estaciones es la visibilidad de los pararrayos que por lo general están escondidos en un gabinete y esto hace que sea difícil acceder a ellos. Esto solo se convierte en una preocupación si aparece la necesidad de verificar la condición del pararrayos con una cámara infrarroja o a través de otros medios. Por lo tanto, se sugiere que los espacios de los pararrayos tengan al menos un lado que no esté completamente acorazado y que permita revisar los pararrayos si así se requiere. Otro tema que se presenta en este tipo de estaciones más que en otras es el largo recorrido de los cables con puntos abiertos. En este tipo de configuración también aparecen problemas de duplicación de voltaje y se debería considerar tener pararrayos en los puntos abiertos.

Ejemplo de una subestación interior donde todos los pararrayos están escondidos y no se pueden ver.

Subestaciones GIS completas & parciales

Una estación totalmente GIS con pararrayos GIS es bastante diferente a otras subestaciones y aquí la protección contra el sobrevoltaje a menudo se diseña de manera específica. La nominación del pararrayos por lo general es bastante alta en voltaje para manejar la significativa cantidad de energía que se produce durante cualquier sobrevoltaje. Si una estación está parcialmente aislada en aire y expuesta a rayos, claramente es necesario que exista protección contra los sobrevoltajes. Pero si la estación está parcialmente aislada en aire dentro de un edificio, la protección contra los sobrevoltajes se convierte en una preocupación menor. Cuando todas las entradas y las salidas son subterráneas, se deberían realizar estudios de diseño de la protección contra el sobrevoltaje para determinar si es apropiado instalar pararrayos y dónde hacerlo.

Pararrayos GIS y bushings aislados en aire.

Estaciones generadoras

Las estaciones generadoras son las más difíciles de proteger porque el voltaje soportado del generador para los sobrevoltajes de frente muy rápido es en realidad más bajo que el BIL. Si una estación es una unidad pequeña donde las líneas entrantes están a solo unos pocos cientos de metros del generador, se necesita protección especial. Los sobrevoltajes no solo pueden pasar a través del transformador elevador, sino que estos también pueden ser generados por los interruptores automáticos del sistema a voltajes bajos (por ej.: 15 kV). En el bus del generador se pueden encontrar sobrevoltajes que aumentan muy rápido y sobrevoltajes de energía alta. En este lugar los capacitores de sobrevoltaje son tan importantes como los pararrayos de sobrevoltaje.

Aquí, el devanado del estator de un generador con falla debido a la falta de protección adecuada.

Tipos de pararrayos utilizados en las subestaciones

Clase de estación

La última edición de la IEC 60099-4 ahora se refiere a los pararrayos previamente denominados de clase 2, 3 y 4 como pararrayos con “clase de estación” y se clasifican de acuerdo con sus parámetros de prueba. Por lo general, estos tienen un voltaje residual más bajo y las nominaciones de corriente de falla soportada y manejo de energía más altas. A pesar de que estos pararrayos se utilizan en casi todas las subestaciones, puede que no siempre sea el único tipo utilizado. La principal razón para utilizar pararrayos con clase de estación en las subestaciones radica en su capacidad de soportar la corriente de falla. Ya que la corriente de falla en una subestación a menudo proviene desde varias direcciones, la corriente de falla disponible puede llegar fácilmente sobre el límite de 20 kA de los pararrayos de distribución. Por lo tanto, el pararrayos por defecto es el de clase de estación.

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Clase de distribución

El pararrayos con clase de distribución, que anteriormente se denominaba pararrayos clase 1, se puede utilizar en las subestaciones donde la corriente de falla está por debajo de los 20 kA. Aquí, el voltaje residual del pararrayos con clase de distribución a menudo puede satisfacer los requerimientos de desempeño de la estación. Además, para las estaciones por debajo de los 260 kV, generalmente la capacidad de manejo de la energía de un pararrayos de distribución también es adecuada. Antes de asumir que siempre se debe especificar un pararrayos con clase de estación, es mejor considerar si es en realidad adecuado un pararrayos de distribución más versátil y de menor costo.

Pararrayos de distribución instalados en la salida de una subestación de distribución.

Consideraciones para la selección del pararrayos

MCOV Uc

No es necesarios tener en cuenta consideraciones especiales cuando se selecciona la Uc de un pararrayos en una subestación. Si el pararrayos se utiliza para proteger los devanados del transformador, este debería ser lo más bajo posible para ofrecer la mejor protección.

Nominación de energía

Si se aplica un pararrayos a las líneas con voltajes de sistema a 345 kV o más, se deberían evaluar las clasificaciones de energía. Si el voltaje del sistema es menor que 345 kV, la nominación de energía no es un tema en cuestión, excepto cuando existe un grupo capacitor grande en el sistema.

Nominación de corriente de falla soportada

Esta nominación del pararrayos es especialmente importante en la protección de la subestación porque, como se indica anteriormente, puede haber disponible una corriente de falla alta. Si es así, se debe tomar esto en cuenta cuando se selecciona un pararrayos.

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