BOLETÍN IIE
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Descargas atmosféricas y sistema de conexión a tierra
En 1977, los índices de salidas producidas por las tormentas eléctricas en nuestro país para las líneas de transmisión eran muy superiores a los que se registraban en otras partes del mundo. Por ello, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) contrató al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) para trabajar en el área de descargas atmosféricas y conexiones a tierra. Así, el IIE revisó los procedimientos de diseño de líneas de transmisión y subestaciones de la CFE para los que se reportaban altos índices de salidas y definió un programa de investigación tendiente a mejorar los diseños existentes.
Los trabajos iniciados para abatir los índices de salidas se dividieron en dos grandes rubros: por una parte, caracterizar las tormentas eléctricas en el país, esto es, conocer el fenómeno y su intensidad, y, por otra parte, analizar las guías de diseño de líneas de transmisión y subestaciones de la CFE con el fin de establecer las necesidades de actualización para operar confiablemente bajo las condiciones meteorológicas y ambientales de nuestro territorio.
Caracterización de la frecuencia de las tormentas eléctricas
Se intuía que las descargas eléctricas de origen
atmosférico eran más frecuentes en México que en otros
países dada su ubicación geográfica subtropical. Las
estadísticas con que se contaba en ese tiempo correspondían
a investigaciones realizadas en Europa y en los Estados Unidos, por lo que
aportaban información de muy poca utilidad para conocer las condiciones
prevalecientes en nuestro país, así que se comenzó
a trabajar en la caracterización de la frecuencia de las tormentas
con equipos detectores y registradores cuantitativos.
Se probaron diversas versiones de detectores de tormentas eléctricas hasta llegar a un dispositivo adecuado para operar en forma automática y con un mínimo de mantenimiento, además de que resistiera las condiciones ambientales extremas. Se identificó un modelo que satisfacía los requerimientos establecidos. Con este modelo y gracias al financiamiento de la CFE, el Instituto realizó mediciones durante un ciclo solar, once años, de 1983 a 1993. Se seleccionaron las regiones con mayor densidad de instalaciones tanto de distribución como de transmisión y con base en ello se ubicaron 130 dispositivos, a través de los cuales se logró establecer un mapa de intensidad de tormentas. Sólo unos diez países en el mundo cuentan con un mapa de este tipo. Estados Unidos, por ejemplo, lo obtuvo apenas hace cinco años.
Guías de diseño de líneas de transmisión y subestaciones
Una vez que se conoció el fenómeno de las tormentas
eléctricas con mayor precisión, se estudiaron las guías
de diseño de líneas de transmisión y de subestaciones
sujetas a tormentas eléctricas y se compararon con las de otros países.
En ese tiempo se proyectaron los posibles índices de falla a veinte
años, y se encontró que se tendrían cerca de cinco
mil problemas al año. (Gracias a la reestructuración del diseño,
dos décadas después se tienen cerca de mil fallas anuales).
Se consideraron posibles soluciones: si el problema era de frecuencia, quería decir que los diseños no eran adecuados o tenían problemas de implementación. Se revisaron los diseños de las líneas de 400 kV y se encontró que prácticamente eran una traducción de las guías francesas de diseño. Dado este panorama, forzosamente se tenían que hacer modificaciones, así que inició el trabajo de reelaborar las guías de diseño de líneas de transmisión y de subestaciones sujetas a tormentas eléctricas, buscando la manera de atenuar el fenómeno. Se desarrollaron las guías atendiendo a la variabilidad del fenómeno. Así, entre 1980 y 1985 la CFE adoptó una nueva familia de torres, con un rediseño mecánico y una configuración que permite un mejor comportamiento ante las tormentas eléctricas.
De 1985 a 1988 se analizó la forma de rehabilitar y modificar la configuración de las líneas existentes. Dada la imposibilidad de renovar cerca de cinco mil kilómetros de línea, se encontraron mejoras factibles y mediante rehabilitaciones menores se ha logrado tener una operación más confiable.
El Instituto también descubrió la razón por la que las salidas de las líneas eran tan heterogéneas entre un año y otro: la situación no era un problema exclusivo del diseño de la línea, debido a que el índice de salidas varía en proporción directa de la intensidad y variabilidad de los fenómenos meteorológicos. Por lo anterior, se establecieron límites de diseño; es decir, se contemplaba que cada línea, dependiendo de su diseño y ubicación fuera afectada en forma promedio por cada evento.
También a partir de la década de los noventa se buscó una protección adicional no tradicional. Hacia 1993 se definió una metodología para instalar apartarrayos de línea de manera selectiva de acuerdo con la información de la intensidad de las tormentas eléctricas y de la estadística de operación de las líneas. Con esto se está logrando disminuir a la mitad o hasta la tercera parte la incidencia de fallas en líneas que continúan siendo problemáticas.
Sistema de conexión a tierra
Una de las formas de controlar las interrupciones por tormentas
eléctricas es utilizando sistemas adecuados de conexión a
tierra en líneas y en subestaciones.
Cuando se comenzaron a revisar las guías de diseño se tuvieron que abordar estos sistemas. En 1978 se llegó a la conclusión de que era conveniente que el Instituto se asociara con un grupo extranjero en Montreal, Canadá. Se adquirió software que ese grupo había desarrollado y que se aplicaba a subestaciones y centrales de producción, y se implantó una metodología de diseño basada en características propias en lo que a resistividad del terreno e intensidad de las tormentas eléctricas se refiere. Esta labor permitió que la CFE pudiera contar con un procedimiento actualizado para el diseño de los sistemas de tierra tanto para subestaciones como para líneas de transmisión.
En 1983 se desarrolló un programa todavía más adecuado a las necesidades de la CFE. El programa original era más académico, tenía una gran variedad de métodos de solución teóricos, el nuevo desarrollo, al estar basado en una metodología más práctica, con menos soluciones teóricas, pero aplicable a subestaciones tanto convencionales como aisladas en hexafloruro de azufre, incrementó la capacidad tanto del IIE como de la CFE para el análisis y solución de esta problemática. En 1985 se implantó una nueva metodología de diseño del sistema de conexión a tierra en la Comisión Federal de Electricidad con base en la nueva programación desarrollada.
La metodología se comenzó a aplicar en centrales termoeléctricas y en grandes subestaciones, lo que permitió que no sólo se trabajara en diseños seguros y confiables, sino que se buscara llegar a diseños óptimos, con lo que se empezó a tener ahorros de material desde 10 hasta 80% del costo que significaba un diseño convencional. Un caso interesante fue el de la central de Petatalco, el cual fue uno de los primeros proyectos "llave en mano" desarrollados por la empresa Mitsubishi, la cual, utilizando criterios tradicionales, pretendió construir una red de tierras en la que enterraba del orden de 30 km de conductor. Los diseñadores de la CFE apoyados por los especialistas del IIE rediseñaron el sistema de conexión a tierra. Para entonces ya se había establecido la nueva metodología propuesta por el Instituto y que existía sólo en pocas empresas eléctricas del mundo. El diseño obtenido sólo requirió unos cinco kilómetros de conductor. El contratista adoptó la propuesta del Instituto, pues se le mostró que el diseño cumplía con los criterios establecidos por la guía 80 del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.), pero se lograba optimar la longitud del conductor. A partir de entonces es de uso común el Sisconti (Sistema de Conexión a Tierra). El Sisconti es una herramienta que, a través del uso de la computadora, permite analizar cómo funcionará un sistema de conexión a tierra en una instalación eléctrica cualquiera tanto en condiciones de operación normales como anormales de la red eléctrica.
La metodología desarrollada por el IIE para los sistemas de conexión a tierra también se ha enfocado a la problemática de operación de equipos sensibles, utilizándose para la adecuación y diseño de los sistemas de conexión a tierra del simulador de Valle de Bravo, del de Laguna Verde y el del Metro, y recientemente para sistemas de almacenamiento de hidrocarburos y centros de telecomunicaciones en Petróleos Mexicanos (Pemex).
Los resultados
Veinte años después, el sistema de transmisión de la CFE presenta índices de salidas por descargas atmosféricas del orden de una quinta parte de las fallas que ocurrían en los años setenta. El trabajo hecho en transmisión se está extrapolando a distribución, donde el efecto es mayor. También se incorporaron algunos procedimientos de diseño y de protección para tener una metodología que permita redes con mayor confiabilidad y mejores instalaciones.
Por otro lado, en el área de sistemas de conexión a tierra de instalaciones, el Instituto cuenta con la capacidad para proteger instalaciones eléctricas en diversos campos como la industria química y del petróleo, por ejemplo. Se trabaja en la protección de instalaciones eléctricas en centros de acopio de hidrocarburos. En ese ámbito, usar las técnicas de protección convencionales resulta poco práctico porque se puede llegar a tener hasta interferencia con algunos criterios de seguridad industrial. Se busca cómo ser compatibles con las restricciones del entorno y junto con Pemex se analiza cómo lograr un buen nivel de protección sin interferir con las medidas pertinentes de seguridad.
Actualmente se busca dar un giro hacia la instalación de electrodos de tipo vertical, elementos que pueden dar mejor conductividad y permitir disminuir el valor de la resistencia de conexión a tierra, mediante el uso de material intensificador del contacto a tierra.
Relación cronológica de avances en el área de transmisión y distribución
1983. Se trabajó en programas de transmisión y distribución. Entre los principales logros se cuenta el desarrollo de un método para la predicción de la respuesta en líneas de distribución al efecto de las tormentas eléctricas, el desarrollo de programación para la simulación de apartarrayos y de guías de diseño para líneas y subestaciones protegidas contra descargas atmosféricas.
1985. Se transfirió a la CFE un método para la planeación de redes urbanas de distribución. Se considera "madura" la tecnología para la coordinación de protecciones en redes radiales de distribución. Se desarrollaron herramientas interactivas simplificadas para el diseño de torres de transmisión que facilitan el trabajo de los diseñadores y permiten el análisis de un mayor número de opciones para la optimación real de este tipo de estructuras.
1987. Las investigaciones del IIE se orientan al análisis de la contaminación en aislamientos en líneas de transmisión y distribución eléctrica. Culminaron las mediciones en una línea experimental de la CFE ubicada en Tapachula, Chiapas, para determinar el comportamiento de transformadores y voltajes inducidos por descargas eléctricas atmosféricas. Continúa la elaboración del mapa de isodensidades de rayos a tierra de la república mexicana.
Finalizaron las investigaciones relacionadas con la coordinación de protecciones.
1989. Se evalúan nuevas opciones de protección como apartarrayos de óxido de zinc y aisladores de entrehierro con limitadores de corriente en líneas en operación de la CFE. Se concluyó el diseño y desarrollo de un paquete digital de coordinación de protecciones para sistemas de transmisión mallados con protección contra fallas entre fases y de fase a tierra para implantarlo en una computadora personal.
1991. Con relación a subestaciones, los trabajos se centraron en el desarrollo de modelos para analizar la propagación de sobretensiones por descargas atmosféricas en una subestación encapsulada, así como en la definición de las condiciones básicas para la conexión a tierra de la envolvente de la subestación. Se desarrolló un sistema de registro de tormentas integrado por etapas de filtrado, discriminación de rayos a tierra, de rayos entre nubes e integración de las señales.
1992. Se integró una estación prototipo que detecta descargas atmosféricas, cuya información es de utilidad para mejorar los diseños de esquemas de protección de las líneas de transmisión y distribución en zonas de alta incidencia de descargas. La integran dos antenas sensoras de campos eléctrico y magnético, una tarjeta de señales analógicas, una de digitalización (ambas se instalan en las ranuras de expansión de una computadora personal) y el software de registro de señales. La estación registra los parámetros más importantes de las descargas atmosféricas: la amplitud pico de la corriente, la multiplicidad, el tipo de carga y su localización en el plano de tierra. Se prueban dos nuevos métodos de protección de líneas de transmisión: apartarrayos con entrehierro en serie y apartarrayos con óxido de zinc. Se comprueba que con ellos se reducen los costos de mantenimiento y las fallas por descarga. Se plantean los primeros conceptos relacionados con la calidad de la energía eléctrica.
1993. Se evalúan esquemas de protección contra interferencia electromagnética en instalaciones eléctricas, de telecomunicaciones, de circuitos de control y de sistemas computarizados. Se desarrolla un modelo matemático para el cálculo del índice de falla, considerando el acoplamiento electromagnético por rayos cercanos, en función del nivel de aislamiento de la línea y de la densidad de rayos a tierra. Se evalúan sistemas comerciales de registro de parámetros de rayo. Se concluyó el mapa 1983-1993 de isodensidad y las tablas de probabilidad de cada sitio en el que se localiza un contador de rayos, lo que permitió obtener mapas de densidad máxima y mínima, y sus periodos de retorno para evaluar el comportamiento esperado de las líneas de transmisión bajo el efecto de tormentas eléctricas.
1994. En relación con las pruebas realizadas para encontrar métodos eficientes de protección contra descargas atmosféricas (apartarrayos con entrehierro en serie y de óxido de zinc) se observó una notable reducción de las interrupciones después de dos años de evaluación: valores inferiores al cincuenta por ciento de interrupciones que en los nueve años anteriores.
1995. Se realizó un monitoreo sistemático en varios alimentadores de LyFC y la CFE para determinar los parámetros que definen la calidad de la energía; se encontró que en términos generales la distorsión armónica no representa por el momento un problema relevante tanto para los usuarios como para la red de distribución. El problema de mayores efectos que indicó el estudio se relaciona con los abatimientos de voltaje, debido a que este problema se manifiesta siempre que ocurre una falla a tierra sobre un circuito de distribución o sobre una línea de transmisión. Para apoyar las actividades tanto de operación como de planeación de redes de distribución se desarrolló la especificación de una base de datos para las redes de distribución, utilizando conceptos de arquitectura abierta o programación orientada a objetos.
1996. Las investigaciones tendientes a evaluar el uso de compensación serie controlada por tiristores permitieron evaluar escenarios de demanda máxima a diez años en la interconexión del sistema peninsular y el Sistema Interconectado Nacional. Se determinó que en caso de problemas derivados de la puesta en operación de centrales de generación en el área peninsular, es posible en el corto plazo implementar esquemas de compensación que permitan no sólo incrementos en la transferencia de potencia entre sistemas sino, además, el amortiguamiento de oscilaciones de potencia.
1997. En relación con el diseño y la especificación de sistemas eléctricos dedicados al suministro de cargas no lineales, se implementó una metodología para el análisis de sistemas delicados que operan con elevada distorsión armónica. En la metodología se contempla la especificación de los equipos principales con el generador, el transformador y, en caso necesario, flitros de armónicas. Esta metodología se aplicó en la implantación de un sistema artificial de extracción de crudo en la sonda de Campeche. Se aplicó una metodología para el diseño de esquemas de suministro y conexión a tierra de equipo sensible a sistemas de cómputo y telecomunicaciones.
1998. Se realizó una evaluación de los índices de confiabilidad de los arreglos de subestaciones que utiliza LyFC. Para la evaluación se utilizó una metodología de análisis desarrollada por el Instituto con base en técnicas de investigación de operaciones. Dicha metodología permite realizar una evaluación eficiente de grandes redes eléctricas.
Información técnica, doctor Raúl Velázquez
Sánchez, gerente de Transmisión y Distribución.
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