Apartarrayos LTs y Coord de Aisl

11

Preparó: FER

Apartarrayos para Líneasde Transmisión (TLA)

M. en I. Sergio Arturo Corrales Sánchez

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2Preparó: FER

Apartarrayos para Líneas de Transmisión TLA

1. Antecedentes de las sobretensiones en los SEP

2. Descarga atmosférica

3. Mecanismos de Falla del aislamiento de las LT´s

4. Estadísticas de salidas en líneas de transmisión

5. Apartarrayos de óxidos metálicos MOA principiosde operación.

6. Sistemas de aterrizamiento para LT`s

CONTENIDO:

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3Preparó: FER


1.Antecedentes de lassobretensiones en los

SEP

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4Preparó: FER


EsfuerzosEléctricos

en losAislamientos

Sobretensionespor

Descarga Atmosférica

Sobretensiones poroperaciones deInterruptores o

desconectadores

SobretensionesTemporales

Tensión normal deoperación

73920

PMO

0.0

73780

14,44 6,54

MPA

NIZ111,01

30,4131,894,42 3,00

112,73

273,8

46,929.89

234,94

93180

93170

2.9 21,77

0.0

73920

PMO

0.0

73780

14,44 6,54

MPA

NIZ111,01

30,4131,894,42 3,00

112,73

273,8

46,929.89

234,94

93180

93170

2.9 21,77

0.0

0 2 4 6 8 10 12 14

10

5

0

5

10

v x( )

x

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5Preparó: FER

Apartarrayos para Líneas de Transmisión TLAClick t

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12Preparó: FER


• LA PENDIENTE DE LA LINEA INCLINADA ESTA DADA POR:

Que indica que la inclinacion aumenta si se reduce ya sea la frecuencia o lacapacitancia y entonces el punto P se movera en la curva, y al mismotiempo los voltajes VL y VC se incrementa rapidamente.

2.5 Falla de linea a tierra

Al ocurrir una falla de una fase a tierra se presenta una corriente decortocircuito en la fase fallada y sobretensiones a la frecuencia delsistema en las fases no falladas.

Considerando el siguiente circuito:

wC1)tan( =α

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20

SubdirecciSubdireccióón Tn TéécnicacnicaLAPEMCoordinación de Aislamiento para Sistemas de Potencia

F. E. R.

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21

SubdirecciSubdireccióón Tn TéécnicacnicaLAPEMCoordinación de Aislamiento para Sistemas de Potencia

F. E. R.

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22Preparó: FER


6

1

2

3

4

5

106 104 102 100 104102 [t] = s

[p.u.]

Lightning surges

Switching surges

Temporary overvoltages

System voltage

1 p.u. = Umax. / (Um x √ 2 /√ 3

Example:1 p.u. = 24kV √ 2 /3 =19.6 kV peak

SOBRETENSIONES EN EL SISTEMA

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23Preparó: FER


2.Descarga atmosférica

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24Preparó: FER


La descarga atmosférica es un fenómenonatural muy frecuente

En este momento estánteniendo lugar

2000 tormentas en el mundo

100 rayos a tierra/seg 8 millones rayos/día

Anteriormente los rayosprovocaban temor

Al no entender su causa crearon dioses

Con la evolución delhombre

Generación de teoríasy explicaciones

Métodos de protección

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25Preparó: FER


TIPOS DE RAYOS:

rayo descendente negativo8590% de los rayos que inciden en la L.T.

Rayo ascendente negativomenos que los negativos descendentes

Rayos descendentes positivosSe presenta en invierno al inicio y final de latormenta (1,22,2 veces del negativo ascendente)

Rayos ascendentes positivosDifícil distinguir entre el ascendente positivoy el descendente positivo

Lider Descarga de retornoLider Descarga de retorno

Lider Descarga de retorno Lider Descarga de retorno

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26Preparó: FER


FORMASDE ONDA DECORRIENTES DE LA

DESCARGA PRINCIPALREGISTRADAS POR

BERGER

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27Preparó: FER


PROBABILIDAD DE LA MAGNITUD DE LADESCARGA ATMOSFÈRICA

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28Preparó: FER


MAPA DE DENSIDADES DE RAYOS A TIERRA DE 1980 A 1991 .

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LAPEMvitalidad técnica

T y D

29

SubdirecciSubdireccióón Tn TéécnicacnicaLAPEMInsulation Coordination for Power Systems

DETERMINACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN DE LA CORRIENTE PICO IEEE Los primeros investigadores se ayudaron de fusibles magnéticos que respondían a la corriente máxima o

corriente cresta.

En 1950, un grupo del IEEE analizó y publicó los datos recabados. Esta presentación la realizó en forma deuna distribución de corriente.

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LAPEMvitalidad técnica

T y D

30

SubdirecciSubdireccióón Tn TéécnicacnicaLAPEMInsulation Coordination for Power Systems

Parámetro IF <20kA IF >20kAM, mediana 61,1 33,3β, desv. est. log. 1,33 0,605

( ) 6,2

311

+

=IIIP P(I)= probabilidad de que la

corriente sea igual o mayora una corriente I.

En general, la curva de IEEE coincide conla sugerida por CIGRE excepto en losextremos.

Ya que la curva de CIGRE está basada enlos datos más recientes, se consideramejor.

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31Preparó : SCS/FER LAPEM 31

1. Mecanismos deFalla del aislamiento

de las LT´s

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El desempeño en servicio delas líneas de transmisión tieneque ver con eventos como:

•Problemas con losconductores o herrajes

•Vandalismo

•Incendios en maleza

•Contaminación deaislamientos

•Presencia de aves

•Vientos fuertes, huracanes

•Descarga atmosférica

•Eventos del sistema depotencia

•Desconocidas

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La salida por descarga atmosférica en unalínea de transmisión es provocada por

cualquiera de los tres siguientesmecanismos.

Falla de blindaje

Flameo inverso

Tensión inducida

rc

rc

Dg D

C=0

DC=0rg

FIGURA 12

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rc rg

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rc

PARA CORRIENTES DE RAYO PEQUEÑAS

Dg DCDC

rc

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Núm

ero

de ra

yos

por 1

00 m

illas

de

línea

por

año

Corriente de rayo kA kA

I C=1

0 kA

ZONA 1

I m=1

6 kA

ZONA 2

ZONA 3I m

=60

kA

ZONA 4

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ZONA 1El rayo cae en el conductor de fase, pero es de unacorriente pequeña que no produce falla.

ZONA 2El rayo cae en el conductor de fase, y es de unacorriente lo suficientemente grande para producirfalla. En este caso se llama salida por falla deblindaje.

ZONA 3Los radios rg y rc crecen de manera que la zona dc escero, lo que indica que cualquier rayo de estamagnitud de corriente caerá en el hilo de guarda yno produce falla.

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rg

rc

PARA CORRIENTES DE RAYO GRANDES

Dg

DC= 0DC= 0

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ZONA 4

El rayo cae en el conductor de guarda y tiene unamagnitud de corriente tal que produce falla porflameo inverso.

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¿Qué hacer cuando existe elproblema de salidas de la LT porDescarga Atmosférica?

l Resistirse a realizar cualquier “mejora”sin haber establecidocuál mecanismo de falla se está presentando.

l Localizar las zonas del conflicto.

l Realizar un estudio del comportamiento de la línea en cadazona conflictiva.

l Del estudio por zonas, establecer los mecanismos de falla masprobables.

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Alternativas de solución

Ø PARA FALLAS POR BLINDAJE

q Estimar el ángulo que reduzca las salidas en las estructurasespecíficas

q Ajustar éstos ángulos de blindaje, para que la estructura nopresente problemas mecánicos

q De ser necesario realizar un estudio para reforzar la estructura,desde el punto de vista mecánico

q Si no es posible la reubicación del hilo de guarda por cuestionesmecánicas, se debe analizar la posibilidad de instalarapartarrayos de línea

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Ø PARA FALLAS POR FLAMEO INVERSOq Realizar mediciones de Resistencia o Resistividad en las

estructuras con problemas

q Establecer la factibilidad de mejorar el sistema de aterrizamientoen las estructuras

q Sí el costo de mejora de la red de tierras por estructura compitecon el costo o rebasa el de colocación de Apartarrayos, coloqueapartarrayos

q En el uso de Apartarrayos de Líneas, debe realizarse otro estudiopara determinar:

v Las estructuras donde se colocaránv La selección adecuada a la línea a proteger, manejo de energíav La posición y fases donde se colocaránv Las estructuras que drenarán la energía

Alternativas de soluciónClick t

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Ø PARA FALLAS POR TENSIONES INDUCIDAS

q Aumentar la distancia dieléctrica del aislamiento, estode ser posible

q Colocar Apartarrayos y/o hilo de guarda:

v Dependiendo de la línea, hacer cualquiera de las dosalternativas.

ü Sí se colocan Apartarrayos, seleccionarlos para que protejan yse protejan (manejo de energía)

ü Sí se prefiere el blindaje, aprovecharlo como neutro corrido, yasea por arriba o por debajo de los conductores de fase

Alternativas de soluciónClick t

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Ø En cualquier acción realizada para mejora deldesempeño de la Línea, se deben medirresultados en por los menos 5 años

Ø Esto debido a que la intensidad de los eventos dedescarga atmosférica obedece a ciclos climáticos

Ø Verificar la mejora sobre las zonas de conflictopreviamente identificadas y mejoradas

Evaluación de las mejorasClick t

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4. Estadísticas de salidas enlíneas de transmisión

Cálculo del Índice Total de la Líneade Transmisión

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En México se realiza un registro anual delComportamiento en servicio de las líneas de transmisión

Aquí se estima el Desempeño de las Líneas, o seael Índice total de salidas en cada año

Tipificación de la falla

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El desempeño en servicio delas líneas de transmisión tieneque ver con eventos como:

•Problemas con losconductores o herrajes

•Vandalismo

•Incendios en maleza

•Contaminación deaislamientos

•Presencia de aves

•Vientos fuertes, huracanes

•Descarga atmosférica

•Eventos del sistema depotencia

•Desconocidas

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El índice de salidas por descarga atmosféricatotal en la línea de transmisión.

•De estos tipos de fallas de la línea, el que tiene mayor pesoes el de Descarga atmosférica, por eso se debe reconocer yestimar . . .

B0 . . . Pero sin sumarleeventos por otras causas

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Estos mecanismos en conjunto definen elComportamiento ante la Descarga

Atmosférica de la línea de transmisión.

B0 Sólo por este tipo desalida o falla

•Dado por el:añokm

SalidasIB −=

100#

0

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Índice desalidas por

falla deBlindaje(SFFOR)

Índice desalidas por

flameo inverso

(BFR)

Índice desalidas portensionesinducidas(IVFOR)

0.0000

0.0025

0.0050

0.0075

0.0100

0.0125

0.0150

Statistical Calculation Reports

Even

ts/Y

ear

Tower 78 156 234 312 390 468

Phase Strikes Back Flashovers

Induced Flashovers Arr. Over Rating

TowerPhase Strikes 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.000

Back Flashovers 0.005 0.005 0.000 0.005 0.005 0.000Induced Flashovers 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

Arr. Over Rating 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

Line Length: 12.168 KM

Line Flashover Report

Direct Strikes Per Year: 8.178Back Flashovers: 0.000

Phase Strike/Shielding Failure Flashovers: 0.001Flashovers From Nearby Strikes: 0.014

Total Outages: 0.015

Direct Strikes Per Year/100 KM: 67.213Outages/100 KM: 0.121

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SubdirecciSubdireccióón Tn TéécnicacnicaLAPEMCOORDINACICOORDINACIÓÓN DE AISLAMIENTO:N DE AISLAMIENTO:

Apartarrayos para LApartarrayos para Lííneas de Transmisineas de Transmisióónn

FER

5. Apartarrayos de óxidosmetálicos MOA principios

de operación.

5. Apartarrayos de óxidosmetálicos MOA principios

de operación.

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FER

6

1

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4

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106 104 102 100 104102 [t] = s

[p.u.]

Lightning surges

Switching surges

Temporary overvoltages

System voltage

1 p.u. = Umax. / (Um x √ 2 /√ 3

Example:1 p.u. = 24kV √ 2 /3 =19.6 kV peak

SOBRETENSIONES EN EL SISTEMA

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Diseño en Zigzag con Gapsactivos

Gaps Activos

Resistencia de SiC resistors(dentro de los aisladores)

Resistencias graduadoras yCapaxitores

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FER

Modernosde ZnO

q En 1930 Apartarrayos tipo ExpulsiónØ Habilidad limitada de corto –circuito, vida limitada,

falta de selloq En 1940 Apartarrayos de Carburo de SilicioØ Mejoran técnica de sellado

q En 1954 Apartarrayos de SiC con entrehierrosactivosØ Movimiento del arco de alterna

q En 1976 aparecen los Apartarrayos de óxidosmetálicos ZnO

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FER

¿Cuándo se empezaron a conocer?

q En 1971 por Matsuoka para Apartarrayos clase estación conGap

q En 1977 en USA por Sakshaug para los clase Intermedia yDistribución sin Gap

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FER

Región 1 Región 2 Región 3

Corriente [A]

105 104 103 102 101 10 0 101 102 103 104 105

Tens

ión

[kV]

2

3

5

10

DC 20°C

DC 100°C

AC 20°C

AC 10

0°C

ICIR

Pastilla de ZnO

•Diámetro 80 mm

•Alto de 20 mm

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FER

Pastillas de Óxidos Metálicos ZnO(varistores de potencia)

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FER

Block type

Year of mfgResidualvoltage @1mA, DC

Residualvoltage @10kA, 8/20µs

Switchingsurge @ 500A

Batch number

Ratio between10kA and rating

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FER

POLIMÉRICOS,MOLDEADO POR

INYECCIÒN

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ESTACIÓN PARASUBESTACIONES

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FER

TLA (Station class) across 420kV tension insulator string

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FER

En México para115 kV, 230 kV y

420 kV

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FER

APARTARRAYOS DE LÍNEACon entrehierro Sin entrehierro en aire

Protege sólo contra descarga atmosféricaProtege sólo contra descarga atmosférica y contrasobretensiones por maniobra

Los varistores no están directamente conectados alpotencial de la línea, esto implica un menor númerode varistores de ZnO para un mismo nivel de tensión,y también una menor tensión nominal delapartarrayos, costo y tensión residual.

Los varistores están directamente conectados alpotencial de la línea, esto requiere de un mayornúmero de varistores de ZnO para un mismo nivel detensión, esto implica también una mayor tensiónnominal del apartarrayos, costo y tensión residual.

Costo adicional del entrehierro en aireNo tiene entrehierro en aire, por lo que no tienecosto adicional.

La detección de apartarrayos fallados es más difícil ycostosa.

Los apartarrayos fallados se pueden identificarfácilmente utilizando desconectadores de línea.

La contaminación no afecta a los varistoresLa contaminación externa en la envolventepolimérica, podría sobrecalentar lo varistores

El flameo del entrehierro en aire depende de lascondiciones atmosféricas

Las condiciones atmosféricas no afectan la operacióndel apartarrayos.

El mantenimiento en Línea viva es más fácil y seguroDeben ser desconectados durante el mantenimientoen línea viva

No existe una uniformidad de la distribución de laenergía del rayo en los apartarayos colocados en

Sí existe una uniformidad de la distribución de laenergía del rayo en los apartarayos colocados en

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FER

Arreglos de montaje y conexión de TLA (Transmission Line Arrester) o Apartarrayosde Líneas de Transmisión

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Tensión de Referencia Uref

Corriente de Referencia Iref

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89



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92



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93



FER

PRINCIPALES PARÁMETROS QUECARACTERIZAN AL APARTARRAYOS

v Tensión de operación continua, Ucv Tensión Nominal, Urv Corriente Nominal de descarga, Irv Niveles de Protección, Uresv Clase de Descarga de Líneav Característica de Aguante a la Contaminaciónv Clase de Alivio de Presiónv Sismov Cantiliverv Aislamiento

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100



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101



FER

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102



FER

Construcción interna de apartarrayos de óxidosmetálicos tipo estación.

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103



FER

CARACTERÍSTICA DEL ALIVIODE PRESIÓN

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104



FER

Fuente deAlta

Tensión C.A.

Anillometálic

o

Corriente i(t)

Basesaislantes

Puente

Shunt demedición

Rsh

Tensiónv(t)

Circuito de medición para determinar la Tensión deReferencia UREF y Corriente de Referencia IREF

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105



FER

a

b c

d

iint

iext

iint + iext

Corrientes Interna y Externa de un apartarrayosde óxidos metálicos.

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106



FER

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107



FER

Oscilogramas de Prueba: Tensión y Corriente de Referencia.Apartarrayos de ZnO. Nº Serie 8221637 Lado Línea de T.

Módulo Superior Fase C.

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.001

0.0

5.0 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

Tiempo [ms]

Tens

ión

[kV]

0.00040

0.00030

0.00020

0.00010

0.00000

0.00010

0.00020

0.00030

0.00040

Cor

rient

e de

Fug

a [A

]

TensiónCorriente

20 kV eficaz



80.00

60.00

40.00

20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

10.

0

5.0 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

Tiempo [ms]

Tens

ión

[kV]

0.00080

0.00060

0.00040

0.00020

0.00000

0.00020

0.00040

0.00060

0.00080

Cor

rient

e de

Fug

a [A

]

TensiónCorriente

40 kV eficaz

Prueba de diagnostico a apartarrayos

Medición de tensión de referencia

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108



FER



100.00

80.00

60.00

40.00

20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.001

0.0

5.0 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

Tiempo [ms]

Tens

ión

[kV]

0.00150

0.00100

0.00050

0.00000

0.00050

0.00100

0.00150

Cor

rient

e de

Fug

a [A

]

TensiónCorriente

60 kV eficaz



150.00

100.00

50.00

0.00

50.00

100.00

150.00

10.

0

5.0 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

Tiempo [ms]

Tens

ión

[kV]

0.00200

0.00150

0.00100

0.00050

0.00000

0.00050

0.00100

0.00150

0.00200

Cor

rient

e de

Fug

a [A

]

TensiónCorriente

80 kV eficaz



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109



FER



200.00

150.00

100.00

50.00

0.00

50.00

100.00

150.00

200.001

0.0

5.0 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

Tiempo [ms]

Tens

ión

[kV]

0.00200

0.00150

0.00100

0.00050

0.00000

0.00050

0.00100

0.00150

0.00200

Cor

rient

e de

Fug

a [A

]

TensiónCorriente

100 kV eficaz



250.00

200.00

150.00

100.00

50.00

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

10.

0

5.0 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

Tiempo [ms]

Tens

ión

[kV]

0.00800

0.00600

0.00400

0.00200

0.00000

0.00200

0.00400

0.00600

0.00800

Cor

rient

e de

Fug

a [A

]

TensiónCorriente

127 kV eficaz



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110



FER

APARTARRAYOSLADO REACTOR

APARTARRAYOSLADO LÍNEA DE T. TRANSFORMADOR

DE PRUEBA TES 510DE ALTA TENSIÓN

Disposición del equipo de prueba en Subestación Mazatlán II.(medición de tensión de referencia)

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111



FER

ALGUNOS CONCEPTOS DE LOS APARTARRAYOS DE LÍNEA TLA

Transmission Line Arrester/Apartarrayos de Línea de Transmisión

§ Componentes§ Conectador (a la línea)§ Anillo de gradiente§ Terminal a tierra§ Desconectador§ Herrajes de montaje§ Clevis§ Conexión Shunt

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112



FER

Conexión firme en paralelo o Shunt

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113



FER

Ventajas delDesconectador

§ Desconectar de la línea§ Indica sobrecargas§ La línea puede ser re

energizada§ El reemplazo puede planearse

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114



FER

Filosofía de la Protecíón con TLA

Control deSobretensiones de

Maniobra

Sobretensiones fase –tierrapara un recierre trifásico de550 kV, en una línea de 200km con una falla previa a tierra

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115



FER

TLA for Switching OvervoltageControl

System voltage: 765 kVRated voltage: 588 kV

Arrester class: ANSI station

IEC class 4

Height: 257”

Weight: 661 lbs.

Added weight 827 lbs.

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116Preparó: FER


6. Sistemas de aterrizamiento para LT´s

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117Preparó: FER


EFECTO DE LA RESISTENCIA AL PIE DE LA TORRE

20

0

21

REI g

ρπ

=

g

Ri

II

RR 0=

+

=

g

R

i

II

RR

1

0(Varillas o electrodos

concentrados)

E0 gradiente criticoR0 resistencia medida a baja corrienteRi resistencia para alta corriente.

6. Sistemas de aterrizamiento para LT´s

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118Preparó: FER


CONSIDERACIONES DE ATERRIZAMIENTO

Varillas o electrodos concentrados ycontraantenas

Resistividad delsuelo

Contenido deagua

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119Preparó: FER


¿Resistencia de6 Ω?

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120Preparó: FER


VALORES MEDIDOS DE ρ Y R

Estructura Resistividad Resistencia Resistencia Tipo y condición delN° [Ω m] Calc. [Ω] Medida [Ω] terreno natural

325 708.50 104.0 < 8 Rocoso y Arcilla, húmedo




4 La R calculada considera 2 varillas de 10´ en paralelo.4 Se tiene que mejorar la R en las est. Donde sea mayora 10 Ω, además de determinar la curva característica encada estructura, y si no es posible, medir resistividad.4Apegarse al procedimiento de la esp. CFE, para realizarmediciones de R y ρ.

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121Preparó: FER


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25


Eve

nts/

Yea

r

Tower 68 136 204 272 340 408

Phase Strikes Back Flashovers Induced Flashovers Arr. Over Rating



Arr. Over Rating 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

COMPORTAMIENTO REAL DE LA LT.

CON ρ MÁS REALES Y EL BOSQUE

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122Preparó: FER


Model Name: Dd473f5b.TFCalculation: Extended Analysis with Line Voltage and Phasing for EntireLineSelected Towers: 1 to 475Started at: 11/13/01 15:13:04Finished at: 11/13/01 16:28:25Line Length: 122.372 KM

Line Flashover Report Direct Strikes Per Year: 154.040 Back Flashovers: 3.445 Phase Strike/Shielding Failure Flashovers: 2.637 Flashovers From Nearby Strikes: 1.013 Total Outages: 7.095

Direct Strikes Per Year/100 KM: 125.878 Outages/100 KM: 5.798

Arrester Report

Arresters Exceeding Rated Energy: 0.006

REPORTE DELCOMPORTAMIENTO REAL DE LA LT.

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123Preparó: FER


0.000

0.025

0.050

0.075

0.100

0.125

0.150

0.175

0.200

0.225


Eve

nts/

Yea

r

Tower 68 136 204 272 340 408

Phase Strikes Back Flashovers Induced Flashovers Arr. Over Rating



Arr. Over Rating 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

COMPORTAMIENTO ESPERADO DE LA LT.

CON ρ = 100 ΩmMejorando el sistema de Tierras

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124Preparó: FER


Model Name: Dd473f5b.TFCalculation: Extended Analysis with Line Voltage and Phasing for EntireLineSelected Towers: 1 to 475Started at: 11/13/01 15:13:04Finished at: 11/13/01 16:28:25Line Length: 122.372 KM

Line Flashover ReportDirect Strikes Per Year: 154.040 Back Flashovers: 0.001 Phase Strike/Shielding Failure Flashovers: 2.637 Flashovers From Nearby Strikes: 1.013 Total Outages: 3.652

Direct Strikes Per Year/100 KM: 125.878 Outages/100 KM: 2.984

Arrester Report

Arresters Exceeding Rated Energy: 0.006

REPORTE DELCOMPORTAMIENTO ESPERADO DE LA LT.

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125Preparó: FER


Gracias por suatención

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Documents

Apartarrayos LTs y Coord de Aisl