Limitadores de voltaje de pantalla para proteger cables eléctricos HV

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En la última década, la demanda de líneas más largas y mayores capacidades de corriente para los cables eléctricos HV ha involucrado métodos nuevos para evitar pérdidas. Al mismo tiempo, cada vez es más importante asegurar la alta confiabilidad de estas líneas. Estos desarrollos han acelerado rápidamente la aplicación de protección contra sobrevoltajes en redes de cables subterráneos.

Este artículo, escrito por el experto en pararrayos y columnista de INMR, Jonathan Woodworth, explica el esquema de protección contra sobrevoltajes de los limitadores de voltaje de pantalla (SVL), dispositivos para proteger la camisa del cable de las tensiones eléctricas durante los eventos transitorios. Ya que hoy en día hay disponibles cables de alto voltaje de distintos tipos y diseños, por simplicidad, el foco aquí es un cable HV de núcleo simple con pantalla metálica y camisa externa polimérica (Figura 1).


Figura 1: cable HV simple que muestra camisa polimérica que puede necesitar protección contra sobrevoltaje.

Introducción

El crecimiento en la instalación de cables subterráneos ha puesto más foco en algunos de sus efectos ambientales potencialmente negativos. YA que por lo general el cable se instala con pantallas metálicas, la corriente se induce a la pantalla desde el conductor primario y fluye directamente a tierra, lo que representa un 100 % de pérdida de energía. En el proceso también puede aumentar la temperatura del cable, lo que luego se convierte en un factor limitante en la capacidad de sobrecarga de sistema.

Una forma común de reducir estas pérdidas es segmentar la pantalla del cable (Fig. 2). Sin embargo, si la segmentación se usa para interrumpir la corriente inducida de la pantalla, también se deben tomar medidas para limitar el voltaje inducido en la pantalla durante los eventos transitorios. De lo contrario, la diferencial de voltaje entre la pantalla y la tierra puede exceder la resistencia de la camisa del cable, lo que generará agujeros. Estos se pueden convertir en un punto de ingreso de humedad, lo que puede llevar a problemas de falla y dieléctricos a largo plazo.

A pesar de que se utilizan una variedad de configuraciones para reducir las pérdidas en los sistemas de cables (incluido el cruzamiento de las pantallas y la transposición de los conductores de fase), la segmentación, junto con la protección contra el sobrevoltaje de la camisa del cable, se considera la más efectiva. En este caso, la caja de conexión es una caja de empalmes sellada colocada en las escotillas de inspección o en los gabinetes y que contempla protectores contra sobrevoltajes y un punto para cruzar las pantallas. En la Fig. 4 se muestra una configuración típica de esa caja de conexión que permite instalar los limitadores de voltaje de pantalla y el cruzamiento de la pantalla. Los conductores de fase no pasan por la caja de conexión, sino que solo la pantalla o la extensión de la pantalla.

Figura 2: reducción de pérdida en sistemas de cable mediante segmentación y limitadores de voltaje de pantalla.

El SVL

Un limitador de voltaje de pantalla (SVL) es básicamente un pararrayos según una terminología diferente. Funciona como un pararrayos y, en la mayor parte de los casos, es de hecho un pararrayos de distribución que se ha vuelto a catalogar.
En las figuras 5 y 6 se muestran dos ejemplos de limitadores de voltaje de pantalla. En la figura 5, el pararrayos no tiene polleras porque este diseño en particular está hecho para ser usado solo en el ambiente seco de una caja de conexión. Por el contrario, el modelo de SVL que se muestra en la figura 6 tiene polleras similares a un pararrayos porque está hecho para aplicaciones al aire libre.

Selección de un SVL

Como se indicó anteriormente el propósito principal del imitador de voltaje de pantalla es restringir o limitar la tensión por voltaje a través de la camisa del cable. Si la pantalla del cable está conectada a tierra en ambos extremos, la tensión por voltaje a través de la camisa es bastante baja durante el estado estacionario y también relativamente baja durante los transitorios. Sin embargo, si se segmenta el cable para reducir las pérdidas o si hay cajas de conexión a lo largo del cable en ubicaciones de transposición o cruzamiento, es importante instalar los SVL aquí para eliminar cualquier riesgo de ruptura en la aislación de la camisa del cable o la caja de conexión.

No existe un método estándar indicado por el IEC o la IEEE ara seleccionar la nominación óptima ara la protección de la pantalla/camisa de un cable. Por lo tanto, se propone el siguiente método según las discusiones con proveedores de cables, proveedores de pararrayos y con la ayuda del modelado de transitorios del sistema para determinar los efectos de un sobrevoltaje durante los transitorios.
Este análisis asume que la segmentación de la pantalla es una conexión de punto único (a tierra en un extremo de la pantalla) y un punto abierto en el otro extremo.

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Voltaje de pantalla de fuentes de frecuencia eléctrica

Ya que la pantalla de un cable está tan cerca del conductor, el voltaje que aparece en una pantalla abierta puede ser sustancial y está directamente relacionado con la corriente que fluye a través del conductor de fase. Esta relación aplica durante el estado estacionario al igual que durante las fallas.
En la Figura 8 se muestra un ejemplo donde una falla de 17 kA genera 3800 Vrms en la pantalla. La lógica más común al seleccionar un pararrayos para proteger la pantalla es seleccionar un SVL con un nivel de encendido sobre el voltaje de frecuencia eléctrica inducido en el peor de los casos. Esto significa que el SVL no necesita disipar ninguna energía durante un sobrevoltaje temporal (TOV) que haya sido causado por fallas. Para los pararrayos aéreos, generalmente esta no es la regla y, en esos casos, los pararrayos se dimensionan para conducir corriente durante el TOV, pero no la suficiente para hacer que falle. La razón del dimensionado aéreo que utiliza la capacidad de TOV de un pararrayos no se utiliza para seleccionar un SVL, a menos que sea necesario lograr un mejor margen de protección.

Typical installation of an SVL.
Instalación típica de un SVL.
Figura 3. Configuración típica de cable, SVL y pararrayos de fase en poste de transición con SVL montado cerca de la parte inferior de la terminación.
Fig. 4: Link box with 3 SVLs and cross-bonded sheaths.
Figura 4. Caja de conexión con 3 SVL y pantallas cruzadas.
Figura 5. Limitador de voltaje de pantalla con nominaciones típicas de 0,8 a 4,8 kV Uc (MCOV) utilizado dentro de las cajas de conexión.
Figura 6. Limitador de voltaje de pantalla con nominaciones típicas de 4-14 kV Uc (MCOV) para uso en el exterior.
Figura 7. Pasos recomendados para determinar la nominación de un SVL.

Cálculo de voltaje de pantalla

La gradiente de voltaje de estado estacionario es el voltaje que aparecerá a lo largo de 1 km de longitud de una pantalla con 1000 amperes que fluye continuamente y es una función de la configuración del cable en la trinchera y de sus dimensiones. Existen dos configuraciones básicas de trinchera: el trébol, que consta de tres cables que se posicionan equidistantes entre sí de manera que sus secciones transversales forman un triángulo equilátero y la configuración plana dónde todos los cables están tendidos de manera que están en el mismo plano y a la misma distancia entre sí.

Si el fabricante del cable no proporciona la gradiente de voltaje para la configuración utilizada, esta se puede calcular usando las ecuaciones y métodos correspondientes indicados en la norma IEEE 575 “Guía para pantallas cruzadas de cables eléctricos de un conductor de 5 a 500 kV”

Una vez que se conoce la gradiente de voltaje para 1 km a 1000 A, también se puede calcular el voltaje que aparecerá en el extremo abierto de un segmento durante un evento de falla. Es importante determinar este nivel de voltaje porque es necesario configurar la nominación de voltaje del SVL (Uc) un poco más alta para que el pararrayos no conduzca durante un evento de falla. Si en este caso el pararrayos condujera, necesitaría una capacidad de manejo de energía mucho más alta que la que está generalmente disponible para los pararrayos de tipo distribución. Si luego, en el proceso de dimensionamiento, se encontrará que se necesita una Uc de nivel más bajo, un análisis de transitorio determinará las nominaciones de la Uc y de energía apropiadas para el SVL.

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Si se asume que el margen de protección será adecuado, entonces la nominación de la Uc del SVL será mayor que el voltaje en el punto abierto o igual a este (Eopen), como se indica a continuación:
Uc ≥ Eopen = gradiente de voltaje x longitud de segmento x corriente de falla esperada máx.
donde la gradiente de voltaje es V/km/1000A, la longitud está en km y la corriente de falla se expresa en kA. Por ejemplo, si una gradiente de voltaje en un sistema en particular es 200V/km/kA y la línea tiene 2 km de largo con un potencial de 17,5 kA, entonces la nominación de Uc mínima aceptable para el SVL sería 7000 V. Se debe tener en cuenta que si la línea fuera de solo 1 km de largo, la Uc mínima del SVL sería la mitad de la de la línea de 2 km de largo y podría ser un mínimo de 3500 V.

Figura 8. Ejemplo de voltaje de pantalla durante falla de 27 kA en cable con configuración trébol.
Figura 9. Conducción de corriente a través de SVL dimensionado de manera apropiada.
Figura 10. Corriente a través de SVL dimensionado de manera inapropiada con niveles pico en rango de 600 A por medio ciclo.
Figura 11. Aumento de temperatura de SVL dimensionado de manera inapropiada que muestra una falla inminente si el interruptor automático no interrumpe inmediatamente la falla.

En la figura 9 se muestra el flujo de corriente a través de un SVL nominado de manera apropiada en una línea de 1 km con la gradiente de voltaje y corriente de falla antes mencionadas. Se puede ver que solo algunos microamperios fluyen a través del SVL, que es exactamente lo que se desea que ocurra. Sin embargo, si el mismo SVL se aplica a una línea similar con una longitud de 2 km, la corriente a través del SVL sería significativa (como se muestra en la figura 10) y el aumento de temperatura inmediato que genera falla se muestra en la figura 11.

Por lo tanto, cuando se determinan las nominaciones apropiadas de Uc para los SVL, uno no puede seleccionar una nominación para todas las cajas de conexión a menos que las longitudes de todos los segmentos sean iguales. Además, si se elige el SVL de manera correcta, no será necesario absorber ningún nivel de energía significativo durante una falla del sistema.

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Protección de la camisa contra sobrevoltajes por maniobra

Las camisas e interrupciones de pantalla son, por lo general, la aislación más débil en un sistema de cables eléctricos de HV. En la figura 12 se muestran sus niveles de resistencia según la norma IEEE 575.

Figura 12. Resistencia a impulso de rayo de interrupciones de pantalla y camisa de cable.

Se asume que la resistencia al impulso de sobrevoltaje por maniobra de la interrupción de pantalla y de la camisa es similar a otros tipos de aisladores y son el 83 % de la nominación de resistencia al impulso de rayo (BIL).

Cuando hay un evento de sobrevoltaje por maniobra en el conductor de fase de un cable, la corriente a través de él inducirá un voltaje en la pantalla de la misma manera en que lo hace en el estado estacionario o durante eventos de falla, incluso aunque la forma de la onda sea significativamente diferente. Ya que el voltaje y la corriente en el conductor durante un sobrevoltaje por maniobra no son sinusoidales ni tampoco un simple impulso (ver figura 13), no es posible predecir de manera exacta el voltaje y la corriente resultantes en la pantalla.

Las únicas maneras de determinar de manera exacta el voltaje y la corriente reales en la pantalla son a través de simulaciones de transitorios o pruebas reales de campo. Ya que las pruebas no son prácticas, las simulaciones de transitorios son en realidad la única opción y algunas reglas de oro han surgido a partir de estas simulaciones:

1. Si se selecciona que el SVL conduzca a través de un evento de falla con una conducción mínima o sin una conducción importante, entonces la capacidad de resistencia a la energía de un sobrevoltaje por maniobra de un pararrayos de tipo distribución con nominación de 10 kA es adecuado. Si el SVL no está dimensionado para conducir a través dela falla, entonces puede que sean necesarios pararrayos tipo estación.

2. Si no hay disponible un voltaje residual de sobrevoltaje por maniobra de 1000 A, entonces se puede utilizar un voltaje residual de impulso de rayo de 1,5 kA 8/20 para el cálculo del margen de protección.

En el caso del estudio utilizado para crear la figura 14, el voltaje de sobrevoltaje por maniobra en la pantalla sin protección de SVL aumentaría a más de 1000 kV. Según la figura 12, esto es más de 40 kV sobre lo que puede soportar la camisa o la aislación de interrupción y representa cierta falla de la camisa del cable. En este caso, con un SVL de 9,6 kV Uc, el voltaje en la pantalla se milita a un máximo de 33 kV.

Figura 13. Sobrevoltaje por maniobra en conductor de fase de cable de 345 kV con protección de pararrayos (verde) y sin protección de pararrayos (rojo) en esa fase.
Figura 14. Voltaje de sobrevoltaje por maniobra inducido en pantalla de cable de 345 kV con y sin protección de SVL. Sobrevoltaje por maniobra de 3pu en conductor de fase sin SVL (verde) y con SVL (rojo).
Figura 15. Voltaje y corriente en conductor de fase de cable de 345 kV con sobrevoltaje de 100 kA para retenidas aéreas de varias fases del poste de transición.

Para calcular el margen de protección durante un sobrevoltaje por maniobra, se recomienda que se utilice el voltaje residual de sobrevoltaje por maniobra de 1000 A. Ya que el voltaje residual de sobrevoltaje por maniobra no es una prueba que se exija para los pararrayos de tipo distribución, puede que el voltaje residual de 1000 A no esté disponible. En este caso, un sustituto razonable para el voltaje de sobrevoltaje por maniobra es el voltaje residual de 8×20 a 1,5 kA. Para el SVL de 9,6 kV utilizado en el estudio anterior, el voltaje residual V1000=1000 A 30/75 μs es 28,4 kV.

En la figura 12 se puede ver que el nivel de resistencia al BIL de la camina para una línea de 345 kV es 60 kV. Esto significa que el margen de protección de sobrevoltaje por maniobra (MP2) para este caso es MP2=([(BIL x 0.83)/V1000]-1) x 100 = 111 %.

Protección de la camisa contra el sobrevoltaje por rayo

Cuando un rayo golpea una línea aérea antes del poste de transición, el sobrevoltaje es restringido por el pararrayos, que universalmente se ubica en esta posición, y la mayor parte de la corriente de sobrevoltaje se desvía a tierra. Sin embargo, un sobrevoltaje de magnitud significativa puede viajar hacia el cable con un nivel moderado de corriente también. Por ejemplo, en la figura 15 se muestra el voltaje y la corriente que entra a un cable de 345 kV por un golpe de rayo de 100 kA un par de retenidas aéreas más lejos.

Calcular el margen de protección (MP1) para el rayo es muy similar a lo que se hace con los sobrevoltajes por maniobra. Aquí, se utilizan 10 kA para la corriente de coordinación y el BIL completo se utiliza para la resistencia de la camisa y la aislación de interrupción. Con el mismo tipo de SVL que se utilizó antes para el cálculo del sobrevoltaje por maniobra, el voltaje residual a 10 kA es 35 kV y el BIL del cable es 60 kV. Por lo tanto, MP1=([BIL/V1000]-1)x100 = 71 %. Nuevamente, un SVL de 9,6 kV Uc proporcionaría la protección de aislación adecuada para la camisa del cable.

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