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GIS vs AIS – La puesta a tierra en la Subestación

AEG GIS con aislamiento de gas hasta 420 kV
AEG GIS con aislamiento de gas hasta 420 kV

El gas SF6 comprimido utilizado en los equipos de conmutación MT y HV como medio aislante ha llevado al desarrollo de la tecnología de la subestación compacta de gas aislado (SIC) (figura 1). Los GIS, que tienen muchas ventajas sobre las subestaciones con aislamiento de aire convencional (AIS), han estado recibiendo amplia aplicación.

Sin embargo, esta tecnología alternativa ha llevado inevitablemente a un conjunto diferente de problemas para resolver. En el caso de puesta a tierra de la subestación, podemos distinguir tres aspectos principales del diseño de la subestación GIS que necesitan un enfoque diferente de los utilizados en AIS.

  1. El uso de un gas aislante 10 veces mejor permite diseñar una subestación mucho más compacta. Esto también significa una reducción significativa en el área conectada a tierra de la subestación.
  2. Este diseño ‘compacto’ significa que los conductores de fase están mucho más cerca que en AIS y con cajas metálicas, para la contención de gas, las corrientes inducidas electromagnéticamente aparecen en el sistema de puesta a tierra.
  3. El aislamiento de gas SF6 comprimido facilita las pequeñas holguras dieléctricas en el SIG. Como resultado, la descomposición se produce rápidamente en el intervalo de nanosegundos. El rápido colapso del voltaje da como resultado la generación de transitorios de ondas de desplazamiento muy rápidos que se propagan a través del CIS. El acoplamiento de estos transitorios con el sistema de puesta a tierra provoca un aumento transitorio del potencial de tierra (TGPR).

 

igura 1 - Vista de sección de barras dobles de GIS
igura 1 – Vista de sección de barras dobles de GIS

Explicación:

CB: Disyuntor
D: Desconectores
ME: Recinto de metal
BB: BusBars
CT: Transfomers actuales
VT: Transformadores de tensión
S: Estructuras de acero
Superficie del suelo reducida

El área ocupada por una subestación GIS es típicamente sólo 10-25% de la de la instalación equivalente aislada de aire.

 

Normalmente, con un AIS, un solo lazo de cobre no aislado que se coloca alrededor del perímetro del sitio con conexiones cruzadas para recoger los elementos individuales del equipo, proporcionará un electrodo de resistencia lo suficientemente bajo. Sin embargo, el área más pequeña ocupada por un CIS significa que el tamaño del bucle de tierra principal será menor y por lo tanto la cantidad total de trayectoria conductora también será menor.

Las posibles soluciones para reducir la resistencia del electrodo de tierra son (1):

  • Rejilla de alta densidad : conexiones frecuentes y cortas de los elementos de la celda a la red de tierra. Esto reduce el TGPR en el SIG y contribuye a reducir la resistencia total del electrodo de tierra, pero no en proporción directa con la longitud adicional.
  • Conexión a la estera de hormigón armado: la conexión de la malla de acero de refuerzo y el acero estructural a la red de tierra reducirá la resistencia total del electrodo de tierra. Sin embargo, esto es complicado y tiene que hacerse de una manera que evite problemas de sobrecalentamiento y daño de la estructura reforzada debido a corrientes circulantes excesivas.
  • Uso de varillas de tierra accionadas profundamente : Si después de aplicar los métodos anteriores, la resistencia del electrodo de tierra es todavía alta, entonces se requerirá el uso de varillas de tierra accionadas por agua.

Corrientes inducidas

Las subestaciones con aislamiento de gas tienen una envoltura externa conectada a tierra que encierra el conductor interno de alta tensión, a diferencia de los equipos convencionales cuya base más cercana es la superficie de la tierra. Al mismo tiempo, la separación de fases es menor: h.

 

Dependiendo de la corriente que circula a través de las barras colectoras habrá un campo electromagnético significativo que rodea los recintos (figura 2). La variación alterna de este campo magnético induce corrientes en el recinto con conexión a tierra y otras partes metálicas en la subestación, tales como estructuras de acero, conexiones de interconexión de la caja y conexiones a tierra (es decir, conexiones de derivación a tierra), etc.

 

Las corrientes inducidas en el recinto pueden alcanzar el 90% del valor de la corriente de la barra colectora primaria y circulan en dirección opuesta que reduce el campo magnético total fuera de la caja.

 

Figura 2 - Distribución de la densidad de flujo magnético alrededor de los recintos de tres fases en un conducto de bus SIG
Figura 2 – Distribución de la densidad de flujo magnético alrededor de los recintos de tres fases en un conducto de bus SIG

 

Las mediciones se han realizado en una subestación Reyrolle 420 kV utilizando un transformador de corriente portátil (CT). Éste consistió en una bobina flexible de Rogowski de 0.5m diámetro, un integrador y un voltímetro digital. La exactitud del sistema de medición se verificó en primer lugar en el laboratorio, que mostró menos del 5% de error que se consideró adecuado para las mediciones propuestas.

 

La bobina de Rogowski se envolvió alrededor de varias conexiones de puesta a tierra en el SIG, por ejemplo, cámaras conectadas a tierra, correas de tierra, shunt inter-fase, soportes de acero, escaleras, etc. Los resultados confirmaron un alto porcentaje de corriente circulando a través del recinto 85% de la A 2000 de la corriente primaria).

También se encontró que un alto nivel de corriente de circulación (hasta un 50%) estaba presente en las tiras de tierra de cobre inter-fase que derivan los recintos de fase individuales.

Transitorios rápidos Sobretensiones y TGPR

Al principio de la tecnología GIS, el diseño de puesta a tierra se basó en el enfoque clásico de limitar los potenciales de caja de frecuencia de potencia a niveles seguros basados en las condiciones de corriente de falla máximas esperadas.

 

En contraste con estos potenciales relativamente bajos, el arco entre los recintos conectados a tierra y otros componentes conectados a tierra que son indicativos de potenciales mucho más altos, se observaron rutinariamente durante la interrupción en las pruebas de HV o durante la operación de seccionador normal. Se realizó una exhaustiva investigación para entender el mecanismo de este TGPR particular en CIS.

 

Las razones de este TGPR fueron las características específicas del desglose en SF6 produciendo sobretensiones con un tiempo de subida muy rápido de 5-20 ns y al mismo tiempo la disposición coaxial específica del conducto de bus que resultó ser muy buena para la transmisión De estos voltajes de rango de MHz.

 

Debido a la baja velocidad de operación del seccionador, cada operación de cierre y apertura producirá decenas de pre-huelgas y re-huelgas (figura 3).

 

Figura 3 - Pre-huelgas durante la operación de cierre del seccionador
Figura 3 – Pre-huelgas durante la operación de cierre del seccionador

 

Cada pre-huelga genera una onda transitoria rápida de la mitad del valor de la tensión a través de los contactos que se transmite en ambas direcciones lejos del punto de pre-huelga (3). Cuando la onda que viaja llega a la terminación aidSF6, el casquillo vertical y la línea aérea definen impedancias de sobretensión externas que permiten que la onda incidente incidente «refractase».

En la figura 4, la terminación de la ayuda SF6 se modela como una unión de tres líneas de transmisión cada una con su propia impedancia de sobretensión:

  1. El conducto interno de bus coaxial GIS.
  2. La línea aérea de línea a tierra.
  3. La caja de bus a la línea de transmisión de tierra.

 

Figura 4 - Modelo de línea de transmisión del TGPR en la terminación Air - SF6
Figura 4 – Modelo de línea de transmisión del TGPR en la terminación Air – SF6

 

Una parte de la onda incidente se refleja de nuevo en el conducto de bus, otra parte continúa a través de la línea de transmisión de línea a tierra y el resto forma el TGPR en la unión de casquillo-envolvente (6). Este TGPR es pronto atenuado por las correas de tierra del recinto que actúan como otras líneas de transmisión.

Sólo para dar una idea del orden de magnitud del TGPR, estos son los resultados de las mediciones realizadas en un SIG de 525 kV por Ontario-Hydro (6):

  • Tensión entre contactos durante el cierre del seccionador: 526 kV (Vs)
  • Propagación de voltaje a través de bus SIG: 0.5 Vs = 263 kV
  • Llega al casquillo A (17.7 m de Vs): arbusto en 9).
  • TGPR en el casquillo A: 45 kV (26% de entrada V al casquillo)
  • Máximo TGPR medido en la construcción de la subestación: 3 kV 172 kV (33% de atenuación por T de

Algunas de las experiencias reportadas de TGPR en SIG son:

  • TGPR es de magnitud relativamente alta pero dura sólo microsegundos con frecuencias por encima de 30MHz.
  • Seguridad personal: no se reportan lesiones, sino posibles reacciones peligrosas contra la chispa o el hormigueo cuando se trabaja en el SIG.
  • Funcionamiento inadvertido de dispositivos de protección.
  • Destrucción de componentes electrónicos en equipos secundarios y equipos de medición temporales utilizados para la puesta en marcha, etc.
  • Sparking en el aire, entre las partes conectadas a tierra del sistema es decir entre las correas de la tierra en proximidad cercana.

 

Las conexiones de inductancia corta, recta y baja a la red de tierra contribuyen a reducir el TGPR. Si el SIG está dentro de un edificio, entonces conectar el armario [a través de correas de tierra cortas] a la estructura del edificio al cruzar las paredes ayudará a atenuar el TGPR dentro de la subestación.

 

Por último, debe tenerse especial cuidado cuando se trata de discontinuidades en la carcasa de gas, tal como se encuentran con un CT externo, un extremo de cierre de cable, conexiones de transformador, etc. En estos puntos los recintos están separados por un separador aislante y las conexiones de correa de tierra asociadas son A menudo demasiado largos y demasiado inductivos para una puesta a tierra efectiva de potenciales transitorios de alta frecuencia.

 

Por lo tanto, tensiones significativas de varios kV se desarrollan a través de la brida aislada que puede provocar chispas en el aire circundante. En este caso, el uso de supresores de sobretensión, como los varistores de óxido metálico (MOV) es altamente recomendable.

 

Resumen

Al diseñar la conexión a tierra de un CIS, junto con la clásica aplicación de los potenciales de caja de frecuencia de potencia a niveles seguros basados en las condiciones de corriente de falla máximas esperadas, también es necesario tener en cuenta los problemas específicos relacionados con el diseño de SIG. Se debe tener en cuenta las corrientes inducidas que pueden causar sobrecalentamiento en el sistema de puesta a tierra incluso en condiciones normales de flujo de carga.

 

También deben tenerse en cuenta los efectos del TGPR producido por sobretensiones transitorias rápidas y el impacto asociado a las técnicas de puesta a tierra de alta frecuencia, especialmente a las discontinuidades del recinto.

Fuente: electrical-engineering-portal.com

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