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<p>FACULTAD DE INGENIERÍA</p><p>Escuela Académico Profesional de Ingeniería Eléctrica</p><p>Expediente Técnico</p><p>Diseño de Coordinación de Aislamiento para un Centro comercial en</p><p>la ciudad de Ayacucho de 1.50 MVA.</p><p>CURSO: Alta Tensión</p><p>Docente: Mg. Ing. Boris Ernesto D´Angles Woolcott</p><p>Apellidos y Nombres:</p><p>● LIFONCIO TAYPE ALEX</p><p>● RIVERA HUANAY PERCY JAVIER</p><p>● HUACCACHI ROLANDO ESPILLCO</p><p>● BRAÑES DE LA CRUZ MARDEN EMILIO</p><p>Huancayo, 2024</p><p>RESUMEN</p><p>El presente informe consiste en diseñar un procedimiento de coordinación de aislamiento</p><p>bajo los diferentes parámetros establecidos en la en la normatividad IEC-60071-1, IEC-</p><p>60071-2, IEEE y garantizar la elección adecuada del equipo en la ampliación de la</p><p>Subestación de 1.50 MVA con un nivel de tensión de 10 kV.</p><p>El objetivo es realizar el cálculo de selección adecuado de aislamiento para garantizar</p><p>cada uno de los equipos de la subestación eléctrica de potencia ante fenómenos</p><p>atmosféricos y propios del sistema como cortocircuitos que pueden ocasionarse en</p><p>condiciones de operación normal o transitoria del sistema eléctrico.</p><p>Hoy en día los métodos de mantenimiento están orientados en garantizar la seguridad y</p><p>protección que se requiere en las instalaciones de equipos de potencia, las cuales deben</p><p>garantizar una vida útil de estos equipos</p><p>Por lo tanto, el procedimiento del informe tiene los siguientes pasos:</p><p>Primero, memoria descriptiva de la subestación de potencia 1.50 MVA, donde se</p><p>describen las características de la ubicación de la zona, parámetros de la subestación a</p><p>implementar.</p><p>Segundo, se realiza cada una de los conceptos teóricos referente a la coordinación de</p><p>aislamiento en sistemas eléctricos de potencia, las diferentes sobretensiones que</p><p>ocasionan esfuerzos en los aislamientos de los equipos que forman parte del sistema</p><p>eléctrico.</p><p>Tercero, se detalla el procedimiento de cálculo para la coordinación de aislamiento</p><p>planteado por la normativa IEC-60071 y IEC-60072.</p><p>Cuarto, se muestra una aplicación del procedimiento de coordinación de aislamiento</p><p>para la subestación eléctrica de potencia1.50 MVA, la cual es parte del nuevo proyecto.</p><p>INTRODUCCIÓN</p><p>Los sistemas eléctricos de potencia están expuestos a sobre tensiones que se pueden</p><p>modificar en función de los parámetros del sistema eléctrico, debe existir una</p><p>coordinación de aislamiento razonable entre las sobretensiones existentes, los</p><p>aislamientos de los equipos eléctricos y el nivel de respuesta de los descargadores.</p><p>Asimismo, los aislamientos de los equipos se deben diseñar de tal manera que no existan</p><p>puntos vulnerables para dichas fallas dieléctricas transitorias.</p><p>En las diferentes causas de fallas que se presentan en los sistemas eléctricos, se</p><p>encuentran las fallas debidas a fenómenos de sobretensiones ocasionados por descargas</p><p>atmosféricas, los mismos que generan la destrucción de los diversos equipos y materiales</p><p>que conforman parte de aislamiento una red eléctrica de tal manera que reducen la vida</p><p>útil de los mismos.</p><p>En este informe se presenta la metodología, los datos y los resultados del estudio de</p><p>coordinación de aislamiento y la selección del pararrayos para determinar el nivel de</p><p>aislamiento de los equipos de 10 kV de la subestación en ampliación de 1.50 MVA del</p><p>centro comercial en Ayacucho – Perú.</p><p>Adicionalmente se presenta la selección de las diferentes distancias eléctricas incluyendo</p><p>el ancho, la altura y la longitud de los campos a partir de las distancias mínimas</p><p>seleccionadas en la Coordinación de Aislamiento.</p><p>MARCO TEÓRICO</p><p>Empecemos preguntándonos ¿Qué es coordinación de aislamiento? La coordinación de</p><p>aislamiento consiste en la selección de un conjunto de tensiones soportadas normalizadas</p><p>para caracterizar el aislamiento de equipos, en función de las sobretensiones que podrían</p><p>aparecer en el sistema, teniendo en cuenta las condiciones ambientales y las</p><p>características de los dispositivos.</p><p>Toda subestación Eléctrica está expuesta a fallas del sistema los cuales pueden ser</p><p>originadas por eventos como: descargas atmosféricas (rayos), propagación de ondas de</p><p>sobretensión y fallas en el sistema, los cuales pueden provocar flameos o fallas de</p><p>aislamiento, ocasionando daños en el equipamiento o incluso la pérdida de suministro</p><p>por la salida de servicio de la subestación. Con el propósito de adquirir protección y así</p><p>estar prevenidos ante tales eventos y sus consecuencias, es necesario calcular y definir</p><p>las posibles sobretensiones que puedan aparecer en el sistema y los elementos de</p><p>protección ante tales sobretensiones para así poder determinar los niveles de aislamiento</p><p>correctos para cada equipo, esto es hacer un estudio de coordinación de aislamiento.</p><p>Los sistemas eléctricos están expuestos a variaciones de tensión (subtensiones y</p><p>sobretensiones), debido a esto el aislamiento del equipamiento debe ser dimensionado</p><p>técnica y económicamente, por la parte técnica debe ser diseñado para soportar</p><p>sobretensiones que aparecerán en el sistema, evitando fallas y/o salidas frecuentes de</p><p>operación; y por la parte económica no se debe caer en costos excesivos con un</p><p>sobredimensionamiento del nivel de aislamiento ya que estos equipos tendrán un costo</p><p>más elevado.</p><p>El estudio de coordinación tiene por objeto seleccionar el ajuste técnico y económico más</p><p>adecuado y óptimo para los equipos de una subestación eléctrica a través de una buena</p><p>elección del nivel de aislamiento, dando mayor seguridad ante posibles sobretensiones</p><p>durante la operación del sistema o la operación de la subestación y por tanto no llevaría</p><p>a fallas y la subestación estará segura, así como el personal que laboran dentro de ella.</p><p>Debido a que las sobretensiones son de naturaleza aleatoria y variable en el tiempo es</p><p>casi imposible determinar sus características debido a esto sus parámetros (duración,</p><p>amplitud y efectos en el sistema) son sólo estimaciones obtenidas de la experiencia.</p><p>Los riesgos a los que está sometida una subestación desde el tema de aislamiento son:</p><p>mal funcionamiento de los equipos por desgaste, degradación y daño del material</p><p>aislante, y podría traer como consecuencia la falta de servicio eléctrico.</p><p>Aislamiento autorregenerable y aislamiento no autorregenerable, se denomina</p><p>aislamiento regenerable a aquel que recupera íntegramente sus propiedades aislantes</p><p>después de una descarga disruptiva y no autorregenerable al que las pierde o no las</p><p>recupera íntegramente.</p><p>Aislamiento externo y aislamiento interno, aislamiento interno se refiere a distancias en</p><p>el aire y las superficies en contacto con el aire de los aislamientos sólidos de un equipo,</p><p>expuestos a la influencia de las condiciones ambientales u otros agentes externos tales</p><p>como polución, humedad, entre otros. Aislamiento interno se denomina a los elementos</p><p>internos sólidos, líquidos o gaseosos del aislamiento de un equipo que están protegidos</p><p>de la influencia de las condiciones ambientales u otros agentes externos.</p><p>Dispositivo de protección contra sobretensiones (DPS), dispositivo que limita los</p><p>valores de cresta de las sobretensiones, o sus duraciones o ambos. Estos dispositivos se</p><p>clasifican en dispositivos de prevención (tal como resistencia de preinserción) o en</p><p>dispositivos de protección (tal como pararrayos).</p><p>Nivel de aislamiento normalizado, conjunto de tensiones soportadas normalizadas que</p><p>caracterizan la rigidez dieléctrica del aislamiento.</p><p>Máxima tensión continua de operación (MCOV), valor eficaz máximo permitido de</p><p>tensión a frecuencia industrial que podría ser aplicado continuamente entre los terminales</p><p>del DPS.</p><p>Margen de protección, diferencia entre la rigidez dieléctrica del aislamiento del equipo y</p><p>el nivel de protección del DPS.</p><p>Red con neutro aislado, red en la que ningún punto neutro está intencionalmente</p><p>conectado a</p><p>la tierra, a excepción de las conexiones a alta impedancia destinadas a</p><p>dispositivos de protección o de medida.</p><p>Red con neutro puesto directamente a tierra, red cuyo(s) punto(s) neutros están</p><p>conectados directamente a tierra</p><p>Sobretensión, las diferencias de potencial transitorias o permanentes existentes entre</p><p>fases o entre fase y tierra en una instalación, con un valor de cresta mayor a la tensión</p><p>máxima del sistema. Estas diferencias de potencial son capaces de poner en peligro el</p><p>material aislante o el adecuado servicio de una red eléctrica.</p><p>Tensión nominal de una red (Vn), valor aproximado adecuado de la tensión utilizada</p><p>para designar o identificar una red.</p><p>Tensión máxima del sistema (Vm), valor eficaz máximo de la tensión entre fases para</p><p>el cual está especificado el material en relación con su aislamiento, así como a algunas</p><p>otras características que están provisionalmente conectadas a esta tensión en las normas</p><p>propuestas para cada material.</p><p>Tensión continua de operación (a frecuencia industrial), tensión a la frecuencia del</p><p>sistema, considerada que tiene un valor eficaz constante, aplicada permanentemente a</p><p>cualquier par de terminales de una configuración de aislamiento.</p><p>Tensión soportada para impulso tipo rayo BIL, es el valor pico de tensión soportada</p><p>al impulso tipo rayo, el cual caracteriza el aislamiento del equipo en lo que refiere a</p><p>pruebas.</p><p>Tensión soportada para impulso tipo corta duración a frecuencia industrial, es la tensión</p><p>que puede tener su origen en fallas, en operaciones de maniobra tales como pérdida de</p><p>carga, condiciones de resonancia, no linealidades (ferroresonancia), o en una</p><p>combinación de estos.</p><p>1. MEMORIA DESCRIPTIVA</p><p>1.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO</p><p>La zona del lugar del proyecto contiene los siguientes datos según se muestra en la</p><p>siguiente tabla.</p><p>Distrito Ayacucho</p><p>Provincia Ayacucho</p><p>Departamento Ayacucho</p><p>Altitud Real 2760 msnm</p><p>1.2. Descripción de la subestación:</p><p>Un nuevo centro comercial en la ciudad de Ayacucho, está implementando una nueva subestación</p><p>de 1.50 MVA para brindar un mejor suministro de energía a su planta, la cual tiene un</p><p>transformador con una relación de transformación 10/0.38 /0.22 kV, ubicada a una altura de 2760</p><p>msnm.</p><p>1.2. Parámetros de la Subestación de 1.50 MVA</p><p>En la Tabla 1 se presentan los parámetros generales para la subestación 1.50 MVA Ayacucho.</p><p>Voltaje nominal (Vr) 10 kV</p><p>Frecuencia nominal 60 Hz</p><p>Tensión asignada al equipo 10 kV</p><p>Tensión asignada soportada a la frecuencia industrial kV</p><p>Nivel de contaminación ambiental (IEC 60815) (polución) Moderado</p><p>Distancia de fuga mínima nominal mm/kV</p><p>Distancia de fuga mínima entre fase y tierra mm</p><p>Máxima corriente de cortocircuito kA</p><p>Régimen de conexión del neutro: Sistema con</p><p>neutro corrido.</p><p>Altura sobre el nivel del mar 2760 msnm</p><p>Tensión residual al impulso tipo rayo del DPS seleccionado</p><p>(LPL)</p><p>determinar</p><p>Tensión Residual al impulso tipo maniobra del DPS seleccionado</p><p>(FOW)</p><p>determinar</p><p>Número mínimo de redes de distribución conectadas a la</p><p>subestación</p><p>1</p><p>Longitud media del vano (Lsp) 60 m</p><p>Tasa de fallas máxima tolerable (Ra) 65 fallas -año</p><p>Tasa de falla observada Rkm : 15 fallas/100</p><p>km - año</p><p>Transformador aislado en aceite</p><p>Parámetros para determinar:</p><p>Nivel de protección de los DPS.</p><p>Se deben definir la tensión residual al impulso tipo rayo (LPL) y la tensión residual al</p><p>impulso tipo maniobra (FOW) del DPS seleccionado, las dos tensiones expresadas en</p><p>kV. Estos valores deben ser especificados por el fabricante del equipo. Para la selección</p><p>del DPS se recomienda consultar el documento norma técnica NT-03: selección de</p><p>dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS).</p><p>PARAMETROS NIVEL DE TENSION 10KV</p><p>FOW 36.3</p><p>LPL 32.1</p><p>SPL (0.5 KA) 29.1</p><p>● Tensión residual al impulso tipo rayo del DPS seleccionado (LPL)</p><p>LPL seleccionado (10kV) = 32.1</p><p>● Tensión Residual al impulso tipo maniobra del DPS seleccionado (FOW)</p><p>FOW seleccionado = 36.3</p><p>1.3 NORMA DE REFERENCIA.</p><p>IEEE Std C62.22-1991</p><p>Insulation co-ordination. IEC 60071-1 International Electrotechnical Commision.</p><p>2011.</p><p>IEEE Standard for Insulation Coordination—Definitions, Principles, and Rules.</p><p>IEEE power and energy society. 2010.</p><p>IEEE Guide for the Application of metal-oxide surge arrester for alterning-current</p><p>systems IEEE C62.22-2009</p><p>IEEE Guide for the application of insulation coordination. IEEE Std 1313.2-1999.</p><p>2. MEMORIA DE CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS:</p><p>2.1. Procedimiento para la coordinación del aislamiento.</p><p>El procedimiento de coordinación de aislamiento es la determinación de las resistencias</p><p>dieléctricas de los equipos con relación a los esfuerzos de tensión que se pueden</p><p>presentar teniendo en cuenta las características de los elementos de protección.</p><p>Para la determinación del nivel de aislamiento de los equipos de la subestación eléctrica</p><p>1.50 MVA se siguió un método determinístico para seleccionar los aislamientos internos</p><p>(no – autorestaraubles) y un método probabilístico simplificado de la norma IEC 60071-</p><p>2 para establecer los aislamientos externos (autorestaurables).</p><p>La Norma (IEC 60071-1, 2006, pág. 29), establece un diagrama de flujo en la cual</p><p>resume el procedimiento a realizar para la coordinación de aislamiento y determinar el</p><p>nivel de aislamiento normalizado o asignado, este diagrama de flujo es dividido en</p><p>cuatro partes que deben seguirse secuencialmente.</p><p>● Pasos para la coordinación de aislamiento son:</p><p>1. Determinación de las sobretensiones representativas (Urp)</p><p>2. Determinación de las tensiones de soportabilidad para coordinación (Ucw)</p><p>3. Determinación de las tensiones de soportabilidad requeridas (Urw)</p><p>4. Determinación de las tensiones de soportabilidad normalizadas (Uw)</p><p>2.1.1. Determinación de las tensiones representativas (Urp)</p><p>Tensiones permanentes</p><p>Max= Un+Un*0,05 kV</p><p>Min= Un-Un*0,05 kV</p><p>MCOV= 1.4*(1.05*10) /3</p><p>MCOV= 8.49kV</p><p>Tensión a frecuencia industrial</p><p>Para propósitos de coordinación de aislamiento es considerado igual al voltaje más alto</p><p>del sistema, en este caso corresponde a la máxima tensión de diseño de los equipos de</p><p>patio Us = Um y la tensión base (Ubase).</p><p>𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈 = 𝑈𝑈 ∗</p><p>√2</p><p>√3</p><p>TENSIONES BASE</p><p>Tensión asignada</p><p>al equipo, Um</p><p>Tensión base,</p><p>UmÖ2/Ö3</p><p>10 kV 8.16 kV</p><p>Distancias específicas mínimas para los diferentes niveles de contaminación según la norma</p><p>IEC 60071-2.</p><p>Selección del coeficiente de falla a tierra neutro a tierra de la red (ke)</p><p>Sobretensiones por fallas en tierra.</p><p>La ocurrencia de una falla a tierra en un determinado punto del sistema lleva a un aumento de</p><p>la tensión fase - tierra en las fases sanas cuyo valor depende del grado de aterramiento del</p><p>sistema.</p><p>Si el sistema está sólidamente puesto a tierra la norma considera que la máxima sobretensión</p><p>eficaz no sobrepasa 1,4 veces la tensión máxima eficaz fase a tierra del sistema. Para sistemas</p><p>con neutro aislado las sobretensiones alcanzan hasta 1,73 veces la tensión eficaz máxima.</p><p>𝑈𝑈𝑈(𝑈 − 𝑈) = 𝑈 ∗</p><p>𝑈𝑈</p><p>√3</p><p>en donde:</p><p>K: Factor de falla a tierra (Ver anexo B de la norma IEC 60071-2)</p><p>Us: Máxima tensión del sistema, kV</p><p>3-DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES DE SOPORTABILIDAD PARA</p><p>COORDINACIÓN (Ucw)</p><p>● Tensiones de corta duración y de frente rápido.</p><p>Sobretensiones de frente rápido</p><p>La metodología estadística simplificada de la norma IEC 60071-2 permite calcular la</p><p>tensión mínima de soportabilidad de los equipos mediante la siguiente ecuación:</p><p>𝑈𝑈𝑈 = 𝑈𝑈𝑈 +</p><p>𝑈</p><p>𝑈</p><p>∗</p><p>𝑈</p><p>𝑈𝑈𝑈 + 𝑈𝑈</p><p>Donde:</p><p>Ucw: Tensión soportable de coordinación al impulso atmosférico, kV</p><p>Upl:</p><p>Nivel de protección al impulso tipo rayo del pararrayos, kV</p><p>A: Factor dado en la Tabla F.2 de la norma IEC 60071-2 que describe el comportamiento de la</p><p>línea ante las descargas eléctricas atmosféricas, kV</p><p>n: Número de líneas conectadas a la subestación, (n-1)</p><p>L: Separación equivalente entre el pararrayos más cercano y el equipo en consideración, obtenido</p><p>de:</p><p>𝑈 = 𝑈1 + 𝑈2 + 𝑈3 + 𝑈4</p><p>a1: Longitud de la conexión del pararrayos a la línea, m</p><p>a2: Longitud de la conexión a tierra del pararrayos, m</p><p>a3: Longitud del conductor de fase entre el pararrayos y el equipo a proteger para el aislamiento</p><p>interno y para el aislamiento externo, m</p><p>a4: Longitud de la parte activa del pararrayos m</p><p>Lsp: Longitud del vano de las líneas, m</p><p>La: Sección de línea aérea calculada a partir de una tasa de salida igual a una tasa de falla</p><p>aceptable, Ra</p><p>Ra: Tasa de falla aceptable para el equipo, 0.0067 fallas/año (1 falla/150 años)</p><p>Rkm: Tasa de fallas por año del primer kilómetro de línea desde la subestación, fallas/año/km.</p><p>𝑈𝑈 =</p><p>𝑈𝑈</p><p>𝑈𝑈𝑈</p><p>Las sobretensiones de frente rápido afectan los aislamientos fase a fase y fase a tierra de igual forma.</p><p>4-DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES DE SOPORTABILIDAD REQUERIDAS</p><p>(Urw)</p><p>● Determinación de las sobretensiones de soportabilidad requeridas</p><p>5-DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES DE SOPORTABILIDAD</p><p>NORMALIZADAS (Uw)</p><p>-</p><p>Selección del nivel de aislamiento asignado.</p><p>Selección de aisladores.</p><p>.</p><p>3. MEMORIA DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS</p><p>PARARRAYO</p><p>AISLADOR</p><p>4. CONCLUSIONES</p><p>● Los pararrayos de media y alta tensión constituyen elementos fundamentales en</p><p>las instalaciones de alta tensión para poder minimizar los efectos de las</p><p>sobretensiones de maniobra y de origen atmosférico.</p><p>● Los niveles de aislamiento normalizados están en tablas según la Norma IEC</p><p>60071-1 y la Norma IEEE 1313, siendo la Norma IEC la más utilizada en la</p><p>actualidad.</p><p>● La coordinación del aislamiento consiste en la selección de un conjunto de</p><p>tensiones soportadas normalizadas para caracterizar el aislamiento de equipos,</p><p>en función de las sobretensiones que podrían aparecer en el sistema.</p><p>● La selección de dispositivos como interruptores, pararrayos, seccionadores y</p><p>otros, requieren del cálculo de los niveles básicos de aislamiento para su</p><p>selección.</p><p>5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS</p><p>● Villalva D. (2016). Comparación entre normas IEEE e IEC sobre coordinación de</p><p>aislamiento en sistemas de distribución hasta 69 kV.</p><p>● Schneider Electric ( 2010). Protección contra sobretensiones transitorias.</p><p>● IEEE 13131 (Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substation, ‘Guía para</p><p>protección de subestaciones contra descargas atmosféricas).</p><p>● ASTM G57 - 06 (2001) Standard Test Method for Field Measurement of Soil</p><p>Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method</p><p>● Código Nacional de Electricidad, Utilización 2006 Perú Sección 3 Métodos de puesta</p><p>a tierra para instalaciones de suministro eléctrico y comunicaciones.</p><p>● IEC-60071-1 Protection against lightning - Part. 1 General Principles.</p><p>● IEEE Std. 80 (2000) Guide for Safety in AC Substation Grounding.</p><p>● IEEE Std. 81 (1983) IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance,</p><p>and Earth Surface Potentials of a Ground System.</p><p>● NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems.</p><p>6. ANEXOS</p>
