Aislamiento_lineas_transmision_energia

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Universidad Nacional de Colombia Leonardo Cardona Correa 
 
 
 
 
 
SSEELLEECCCCIIÓÓNN AAIISSLLAAMMIIEENNTTOO PPAARRAA LLÍÍNNEEAASS DDEE TTRRAANNSSMMIISSIIÓÓNN 
 
Una línea opera la mayor parte del tiempo a unas condiciones que se denominan 
normales, las cuales se caracterizan por estar cerca al voltaje nominal de operación. 
Para que la calidad de la potencia sea adecuada, la variable voltaje debe estar 
alrededor del voltaje nominal y presentar unas variaciones de acuerdo a la 
regulación de voltaje permitida en el nivel de voltaje correspondiente. 
Sobre una línea de transmisión de energía se presentan eventos de tipo interno o 
externo ocasionando alteraciones importantes en el voltaje. El estudio de estos 
eventos y como impactan la línea, es lo que corresponde a un estudio del 
aislamiento. En una línea en etapa de diseño corresponde a la selección del 
aislamiento. 
La selección del aislamiento de una línea de transmisión depende de los esfuerzos 
representados en sobrevoltajes. Estos sobrevoltajes son de tres (3) tipos: 
 
 A frecuencia industrial 
 Por maniobra 
 Por descargas atmosféricas 
 
En el diseño del aislamiento hay que considerar cuales elementos hacen parte de 
dicho sistema. Estos elementos son los siguientes: 
 
 La cadena de aisladores. 
 La mínima separación entre conductores y las estructuras. 
 El apantallamiento o disposición del cable de guarda con respecto a las fases. 
 La resistencia de la puesta a tierra de torre, incluyendo la utilización de 
conductores de compensación o "contrapesos". En la literatura técnica también 
se conoce con el nombre de “contraantenas”. 
 
1. SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA DE LAS CADENAS DE 
AISLADORES 
De acuerdo a la IEC 71-1 y 71-2 la tensión de operación y las sobretensiones 
temporales determinan la longitud de la cadena de aisladores según el grado de 
contaminación de la zona. Si el factor de falla a tierra está por debajo de un valor de 
1.3, que es un valor usual en sistemas multiaterrizados, la norma sugiere como 
suficiente el diseño de la cadena de aisladores para que soporte la máxima tensión 
en estado estacionario del sistema de fase a tierra. Si el factor de falla está por 
encima de 1.3 es necesario tener en cuenta las sobretensiones temporales para el 
diseño de la cadena de aisladores. 
 
 
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2 
Para seleccionar las líneas de fuga de los aisladores el criterio principal a considerar 
es el de la contaminación. 
De acuerdo a la norma IEC 71-2, se debe seguir los lineamientos dados en la tabla 
1. 
Si la contaminación es insignificante en la zona de acuerdo a la norma se debe 
tomar una distancia de fuga en los aisladores de 16 mm/kV (kf). Por el contrario, si la 
contaminación es muy fuerte la distancia de fuga se debe considerar de 31 mm/kV. 
Y para grados de contaminación intermedios se toman valores de distancia de fuga 
20 y 25 mm/kV. 
La distancia total de fuga estará determinada por la expresión: 
kf
ka
1
3
Vmáx
D
 
Donde: 
D: Distancia de fuga, mm 
Vmáx: Tensión máxima de servicio del sistema, kV rms 
Ka: Factor de corrección por altura 
Kf: Coeficiente de fuga, mm/kV 
El factor ka es igual a la densidad relativa del aire para la altura sobre el nivel del 
mar donde estará instalada la cadena de aisladores. La densidad relativa se puede 
calcular con la siguiente expresión: 
h30.000107281.013δr
 
También se puede utilizar la fórmula de Halley: 
T273
Pb3.9210
δr
 
Donde: 
Pb: Presión barométrica en mm de Hg, calculada a la respectiva altura sobre el nivel 
del mar. 
T: Temperatura ambiente en °C a la altura sobre el nivel del mar. 
La presión barométrica Pb se calcula con la expresión: 
18336
h
log10(76)
10Pb 
Donde h es la altura sobre el nivel del mar en m. 
 
 
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3 
Una vez determinada la distancia de fuga requerida (D) se puede calcular el número 
de aisladores. 
 
aisladorcadadefugadeDistancia
requeridafugadeDistancia
aisladoresdeNúmero
 
Para una línea a 230 kV el número de aisladores para diferentes grados de 
contaminación y para diferentes alturas sobre el nivel del mar se observa en la 
Figura siguiente. Se ha considerado un aislador estándar de porcelana el cual tiene 
una distancia de fuga de 292 mm. y una tensión máxima de servicio de 245 kV. 
Tabla 1. Grados de Contaminación de acuerdo a Norma IEC 71-2 Insulation 
Coordination Application Guide 
 
Grado de 
Contaminación 
 
Tipos de ambiente 
Mínima distancia 
de fuga (kf) 
mm/kV 
 
 
 
I-Insignificante 
Áreas no industriales y de baja densidad de casas equipadas 
con equipos de calefacción. 
Áreas con baja densidad de industrias o casas pero 
sometidas a frecuentes vientos y/o lluvia. 
Áreas agrícolas. 
Áreas montañosas. 
Todas las áreas anteriores deben estar situadas al menos 
entre 10 y 20 km del mar y no estar sometidas a vientos 
provenientes del mismo. 
 
 
 
16 
 
 
II-Medio 
Áreas con industrias poco contaminantes y/o con casas 
equipadas con plantas de calefacción. 
Áreas con alta densidad de casas y/o industrias pero sujetas 
a frecuentes vientos y/o lluvias. 
Áreas expuestas a vientos del mar pero no próximas a la 
costa. 
 
 
20 
 
 
III-Fuerte 
Áreas con alta densidad de industrias y suburbios de 
grandes ciudades con alta densidad de plantas de 
calefacción produciendo polución. 
Áreas próximas al mar o expuestas a vientos relativamente 
fuertes procedentes del mar. 
 
 
25 
 
 
IV-Muy Fuerte 
Áreas sometidas a humos contaminantes que producen 
depósitos conductores espesos. 
Áreas muy próximas al mar sujetas a vientos muy fuertes. 
Áreas desiertas expuestas a vientos fuertes que contienen 
arena y sal. 
 
 
31 
 
 
 
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4 
 
Figura 1. Número de aisladores vs hsnm 
 
2. NÚMERO DE AISLADORES REQUERIDO POR SOBRETENSIONES POR 
MANIOBRA 
El número de aisladores para soportar las sobretensiones de maniobra se puede 
determinar de manera estadística considerando los diferentes eventos de manera 
probabilística, lo cual se puede realizar utilizando programas de simulación como el 
ATP, el cual permite realizar simulaciones de maniobra de tipo estadístico, para 
modelar el comportamiento aleatorio de la operación de los interruptores durante el 
cierre. 
El método convencional, que es de tipo determinístico, es el que se va a ilustrar en 
este documento. 
Se supone una máxima sobretensión de maniobra del sistema eléctrico donde se 
diseña el aislamiento. Para el nivel de 230 kV esta sobretensión es del orden de 2.5 
p.u. y constituye lo que se llama el factor de sobrevoltaje (Fv). 
3
2
VmaxFvesperadaónsobretensiMáxima
 
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000
Altura sobre el nivel del mar (m)
N
ú
m
ero
 d
e 
ai
sl
ad
o
re
s
KF=16
KF=20
KF=25
KF=31
Grado de 
contaminación
 
 
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5 
kVpico500.1
3
2
2452.5esperadaónsobretensiMáxima
 
Para determinar la tensión que debe soportar el aislamiento se considera que debe 
ser el 15% más sobre la máxima sobretensión esperada. Este 15% adicional se 
considera un factor de seguridad (Fs). 
esperadaónsobretensiMáximaFssoportedeTensión
 
kVpico575.1500.11.15soportedeTensión 
El aislamiento responde de manera probabilística de acuerdo a la siguiente curva 
acumulada de probabilidad de la Figura 2. El valor del 50% corresponde al CFO 
(Critical Flashover Overvoltage) del aislamiento. En la figura el CFO es unitario y la 
desviación estándar (σ) es del 6%, que es la correspondiente desviación sugerida 
para eventos de maniobra. 
 
 Figura 2. Distribución de Gauss acumulada normalizada 
Se define una tensión de soporte del aislamiento en función del CFO: 
k1CFOsoporte de Tensión
 
De la anterior expresión se despeja el CFO total que debe tener el aislamiento. 
k1
soporte de Tensión
requerido CFO
 
Donde, 
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.76 0.82 0.88 0.94 1 1.06 1.12 1.18 1.24
Pr
ob
ab
ili
da
d 
ac
um
ul
ad
a
Variable (Voltaje disruptivo)
 
 
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6 
σ es la desviación estándar para esfuerzos tipo maniobra y de acuerdo a las normas 
IEC 71-1 y 71-2 debe ser del 6%. 
K, es el número de desviaciones estándar de acuerdo a la probabilidad de flameo 
que se considere del aislamiento. Normalmente se asume una probabilidad de 
flameo del aislamiento del 10% que es lo sugerido por la norma, en cuyo caso k es 
igual a 1.3. Si se asume otra probabilidad de flameo, k toma otros valores. Por 
ejemplo si se asume una probabilidad de flameo del aislamiento del 1%, k toma un 
valor de 2.33. 
El CFO requerido se debe corregir de acuerdo a las condiciones de la región: 
rk
soporte de Tensión
corregido CFO
1
1
 
Donde, 
r
es la densidad relativa 
Reemplazando en la expresión anterior la Tensión de soporte requerida de acuerdo 
a los sobrevoltajes esperados, se obtiene la siguiente expresión: 
rk
3
2
VmaxFvFs
corregido CFO
1
1
 
Los aisladores normalizados de 250 x 146 mm tienen un CFO cada uno de 80 
kVpico aproximadamente. Pero el CFO no es lineal para una cadena de varios 
aisladores. Esta no linealidad se debe tener en cuenta mediante la utilización de un 
gráfico que relacione el número de aisladores de la cadena y el CFO que tendría o 
se puede utilizar la siguiente relación la cual es válida hasta una cadena de 20 
aisladores: 
0.4219CFO107.9192 CFO106.6485Aisladores No -32-6
 
 
 
 
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Figura 3. CFO vs número de aisladores 
 
Del número de aisladores que resulte por ambiente contaminado y por maniobra se 
determina el mayor número de aisladores requerido. 
Un criterio aceptado es aumentar un aislador más si es una cadena de suspensión y 
dos aisladores más si es una cadena de amarre. 
 
3. AISLAMIENTO POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 
El nivel de aislamiento se debe verificar para descargas atmosféricas, ya que se 
pueden producir flameos entre la torre y el conductor. Para determinar el número de 
aisladores por descargas atmosféricas se define una rata de salidas de la línea por 
cada 100 km y por año. Este criterio es de cada empresa, pero es aceptado un valor 
de 3 salidas/100 km*año. La cantidad de aisladores requeridos es muy dependiente 
del valor de la puesta a tierra de la torre y de la densidad de descargas en la zona. 
De acuerdo a la resolución 098 de 2000 emanada de la CREG y por la 
cual se modifica el Anexo CC1 del Código de Conexión (Resolución 025 
de 1995), en lo que se refiere al aislamiento dice: 
“El dimensionamiento eléctrico de las estructuras se debe definir mediante combinación de las 
distancias mínimas correspondientes a las sobretensiones debidas a descargas atmosféricas, a las 
sobretensiones de maniobra y a las sobretensiones de frecuencia industrial. En caso de usarse 
estructuras de otro diseño disponible por el transportador, se deberá demostrar que el 
dimensionamiento eléctrico satisface las condiciones de aislamiento exigidas para la región en donde 
se va construir la nueva línea. 
Para evaluar el comportamiento ante descargas eléctricas atmosféricas se debe considerar como 
parámetro de diseño un máximo de tres salidas por cada 100 km de línea por año. 
0
250
500
750
1000
1250
1500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Número de aisladores
CF
O 
[KV
pic
o]
 
 
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8 
El comportamiento de la línea ante sobretensiones de maniobra se debe realizar evaluando el riesgo 
de falla del aislamiento, permitiéndose una (1) falla por cada cien (100) operaciones de maniobra de 
la línea. 
El comportamiento de la línea ante sobretensiones de frecuencia industrial, deberá asegurar su 
permanencia en servicio continuo. 
No se permite el uso de pararrayos de carburo silicio en ningún punto como protección de las nuevas 
líneas de transmisión.” 
 
4. SELECCIÓN DE DISTANCIAS ELÉCTRICAS MÍNIMAS 
Para determinar las distancias eléctricas mínimas se tienen en cuenta las 
recomendaciones de las diferentes normas. 
 
Distancia mínima conductor – estructura 
Según el NESC (National Electrical Safety Code) de EUA, la distancia mínima 
conductor-estructura se puede determinar con la siguiente expresión 
D = 3 + 0.2(Vmáx – 8.7) 
D = Distancia mínima conductor-estructura en pulgadas 
Vmáx = Voltaje de línea máximo de operación en kV 
Este voltaje se debe corregir por altura sobre el nivel del mar, dividiendo por la 
densidad relativa en el sitio, 
El nivel de aislamiento de la línea al nivel del mar debe ser de 850 kV, ya que es el 
que tienen los equipos de las subestaciones. El BIL se debe corregir a la altura 
sobre el nivel del mar en el sitio. Por ejemplo, si la altura sobre el nivel del mar es 
1750 m, el BIL corregido es de 1050 kV. Según la norma IEC 71-2 la distancia 
mínima conductor-estructura para un BIL de 1050 kV es de 1.90 m. 
A esta distancia se le recomienda aplicarle un factor de seguridad de 1.15 
 
Distancia mínima cable de guarda – conductor 
La distancia entre cable de guarda y el conductor más próximo se determina 
básicamente por el ángulo de apantallamiento y la silueta de la torre. Esta distancia 
dependerá del criterio de apantallamiento que se adopte. 
 
Distancia mínima conductor suelo 
Para esta distancia se puede aplicar el criterio dado en el código de redes. Esta 
distancia en general es de 6.5 m para un nivel de tensión de 230 kV. Con el fin de 
 
 
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tener en cuenta algunas imprecisiones en el plantillado se puede asumir una 
distancia de 8.00 m. 
 
Distancia mínima entre fases 
La distancia entre fases colocada en el mismo plano horizontal está determinada por 
la longitud del vano y la longitud de la cadena de aisladores, debido a la ocurrencia 
de acercamientos a mitad el vano cuando se presenten vientos, que hagan oscilar 
las cadenas. 
Una expresión comúnmente utilizada es la del reglamento español. 
D = K(F+L)1/2 + Vn/150 
D = distancia entre fases en m. 
K = Factor que tiene en cuenta el tipo de conductor y el ángulo de oscilación de la 
cadena. Para un conductor ACSR mayor de 200 mm2 y un ángulo de oscilación 
máximo de 55°, este valor es de 0.75 
F = Flecha máxima en m 
L = Longitud de la cadena de aisladores en m 
 
Distancia vertical entre conductores 
Esta distancia se elige de acuerdo a la distancia mínima a masa requerida y se 
puede asumir las distancias mínima dada en Código de Redes (6.0 m).