Simulación y análisis de transitorios electromagnéticos de frente rápido debido a descargas atmosféricas en instalaciones eléctricas de alta tensión

Abstract

Uno de los problemas que afecta al diseño y operación de los sistemas eléctricos de potencia es el gran número de instalaciones eléctricas de alta tensión ubicadas en lugares con alta densidad de descargas atmosféricas, que por lo general están situados a más de 3000 msnm, como en el sistema eléctrico peruano. Por este motivo, se le ha dado gran importancia al análisis de transitorios electromagnéticos de alta frecuencia en el diseño de instalaciones de alta tensión, lo que permitirá plantear mejores estrategias de coordinación de aislamiento en subestaciones eléctricas y líneas de transmisión. La presente investigación comienza con el desarrollo del marco teórico, donde se detallan aspectos teóricos fundamentales como son las descargas atmosféricas y los pararrayos, elementos críticos para hacer un adecuado estudio de transitorios electromagnéticos de frente de onda rápida originados por descargas atmosféricas. En tal contexto, se desarrolla una guía de modelado y simulación de los principales componentes y equipos eléctricos en subestaciones eléctricas y líneas de transmisión de alta tensión, para establecer una metodología que permitirá analizar el efecto de los transitorios electromagnéticos de frente de onda rápida causados por descargas atmosféricas, a través del cálculo de los perfiles sobretensión electromagnéticas ocasionadas por dicho fenómeno. La herramienta computacional en la que se basa el presente trabajo para el logro de este objetivo es el programa de transitorios electromagnéticos, Alternative Transient Program (ATP). Por lo tanto, la metodología que se desarrolla en la presente investigación permite seleccionar adecuadamente los equipos eléctricos y lograr configuraciones óptimas de diseño en subestaciones de alta tensión y líneas de transmisión. Con ello, se reduce la posibilidad de daño en los equipos eléctricos (como transformadores de potencia) por efecto de las descargas atmosféricas y también se minimiza la salida de las líneas de transmisión por dichos fenómenos. Palabras claves: Sobretensión transitoria, descargas atmosféricas, pararrayos, modelado, contorneo inverso, nivel de aislamiento básico, diseño.

One of the problems that affect the design and operation of power systems is the large number of high voltage electrical equipment installed in places of high density of lightning, by geography these installations involve, usually are located more than 3000 masl in Peruvian power system. For this reason, it has given great importance to the analysis of high frequency electromagnetic transients in the design of high voltage installations, which will allow the development of better insulation coordination strategies in electrical substations and transmission lines. This research begins with the development of the theoretical framework, which describes the fundamental theoretical aspects such as lightning and surge arrester, critical elements to make a proper study of fast front transients caused by lightning. In this context, we develop a guide to modeling and simulation of the main components and electrical equipment in electrical substations and transmission lines, high voltage, to establish a methodology that will analyze the effect of transient electromagnetic fast wave front caused by lightning, through the calculation of the profiles electromagnetic overvoltage caused by this phenomenon. The computational tool based on this work to achieve this goal is the electromagnetic transients program, Alternative Transient Program (ATP). Therefore, the methodology developed in this research to select appropriate electrical equipment and achieve optimal design configurations in high-voltage substations and transmission lines. Thus reducing the possibility of damage to electrical equipment (such as power transformers) due to lightning and minimizing the output transmission lines by these phenomena. Keywords: Transient overvoltage, lightning, surge arrester, modeling, backflashover, BIL, design.