8a. sobretensiones

14/09/2012 1

SOBRETENSIONES TRANSITORIAS

14/09/2012 2

SOBRETENSIONES TRANSITORIAS (Voltaje Surge - Transient Overvoltages)

Transitorio. Término es a veces mal traducido como “transientes” .

• El termino ha sido usado muy ampliamente, por ejemplo:

- Denotar un evento indeseable y momentáneo.

- Fenómeno oscilatorio de corta duración, tal

como el que produce un circuito RLC.

14/09/2012 3


- Cambio de una variable eléctrica que se presenta

durante la transición entre dos condiciones de

operación de estado estable.

- En ocasiones se utiliza la palabra “surge” (impulso)

como sinónimo de “ transient” (transitorio).

14/09/2012 4


Ingenieros de Electrificadoras lo utilizan muy usualmente asociados a los fenómenos que producen las descargas atmosféricas.

Ingenieros de Plantas Industriales , lo utilizan para denotar cualquier fenómeno inusual que se presente sobre el sistema, desde huecos de tensión hasta sobretensiones.

14/09/2012 5


Transitorio tipo Impulso (impulsive

transient)

Transitorio Oscilatorio (Oscillatory transient)

14/09/2012 6

TRANSITORIO TIPO IMPULSO Es un cambio súbito en voltaje , corriente o ambos a frecuencia no nominal.

• Unidireccional en polaridad a partir de una condición de estado estacionario.

• Están determinados por los tiempos de subida y bajada.

14/09/2012 7

Por ejemplo, un impulso transitorio de 1.2 x 50 µs 2000 V, significa que el impulso alcanza los 2000 V en 1.2 µs y que decae a la mitad de su valor pico (1000 V) en 50 µs.

Un impulso típico es el que producen las descargas atmosféricas.

TRANSITORIO TIPO IMPULSO

14/09/2012 8

• La forma del impulso puede cambiar significativamente dependiendo de las características del circuito. Asimismo se percibe muy diferente dependiendo donde se mida o detecte.

• Pueden convertirse en oscilatorios en caso que coincidan con la frecuencia natural de oscilación del sistema.

TRANSITORIO TIPO IMPULSO

14/09/2012 9

TRANSITORIO OSCILATORIO • Es un cambio súbito en voltaje, corriente o ambos a frecuencia no nominal, bidireccional en polaridad a partir de una condición de estado estacionario.

• Se describen en función de su contenido espectral, duración y frecuencia. Por el contenido espectral son de Alta , media y baja frecuencia.

14/09/2012 10

• Alta frecuencia: > 500 kHz y duración de varios µS . Usualmente son debidos a transitorios tipo impulso (rayos).

• Media frecuencia : 5-500 kHz y duración superior a 10 µS. Típicamente se debe a la Energización de condensadores

TRANSITORIO OSCILATORIO

14/09/2012 11

• Baja frecuencia : < 5 kHz y duración de 0.3 a 50 mseg. Se presente en los sistemas de distribución y se debe a muchos tipos de eventos.

• Usualmente se debe a la Energización de bancos de condensadores. La frecuencia es entre 300 y 900 Hz. Magnitud pico: 2.0 p.u. y típicamente entre 1.3 y 1.5 p.u. entre 0.5 y 3 ciclos.


14/09/2012 12

• Frecuencias menores a 300 Hz se deben a energización de transformadores y ferro-resonancia.


14/09/2012 13

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (DA)

Objetivo: ilustrar como las descargas atmosféricas ocasionan sobrevoltajes transitorios en el sistema de potencia.

Lugar mas usual de impacto: cable de fase de los circuitos primarios y en ocasiones de los circuitos secundarios.

14/09/2012 14 HMS

DESCARGAS ATMOSFERICAS (DA)

Rayo

14/09/2012 14

14/09/2012 15

DESCARGAS ATMOSFERICAS

Forma en que entran al usuario y causan daño:

• Descarga directa sobre los circuitos del usuario.

• Corrientes de las descargas que fluyen por los conductores asociados a las puestas a tierra.

Ejemplo: tierra primaria , secundaria y la estructura de la edificación.

14/09/2012 16 HMS


• Las descargas pueden provocar fallas e interrupciones.

• Las DA y los árboles son las principales causas de fallas momentáneas.

• La protección contra DA mejoran la confiabilidad y la calidad de los sistemas de distribución.

14/09/2012 16

14/09/2012 17 HMS


IMPACTOS DIRECTOS

• Debido a las grandes magnitudes de corriente (31 KA) todos los impactos directos pueden causar flashover.

•Los transformadores son protegidos con DST y ayudan a proteger las líneas.

• Una DA o rayo puede ser representado por una fuente ideal de corriente.

CLZC = Ω−≈ 600300

2. rC

tIZV =

14/09/2012 17

14/09/2012 18 HMS


14/09/2012 18

14/09/2012 19 HMS


14/09/2012 19

14/09/2012 20 HMS


Radio r

Constantes de las líneas aéreas Para un solo conductor con radio r ubicado a una altura h por encima del suelo y asumiendo que la resistividad de la tierra es cero, la inductancia y la capacitancia están dadas por las siguientes expresiones:

14/09/2012 20

14/09/2012 21 HMS


Por esta razón:

Tal como se observa la velocidad es igual a la velocidad de la luz y la impedancia Z de un solo conductor varia en una banda cercana entre 300 y 600 ohmios.

14/09/2012 21

14/09/2012 22 HMS


1r 2r

Cables

donde

y representan los radios interior y exterior del cable y k la permitividad.

Para los cables la permitividad varía entre 2.4 y 4.0. La impedancia fuente varía entre 30 y 60 ohmios y la velocidad de propagación entre ⅓ y ½ la velocidad de la luz.

14/09/2012 22

14/09/2012 23 HMS


TENSIONES INDUCIDAS

• Sobretensiones inducidas son mas fáciles de proteger por su magnitud.

•Impactos cercanos a las líneas pueden producir estas tensiones.

• El campo eléctrico se acopla capacitivamente con la línea. El campo eléctrico vertical induce un voltaje sobre el conductor el cual es proporcional a la altura del conductor sobre la tierra.

14/09/2012 23

14/09/2012 24 HMS

DESCARGAS ATMOSFERICAS TENSIONES INDUCIDAS

• Los voltajes son mucho mas bajos que los impactos directos.

• Voltajes que puedan generar flashover está limitados a 500 pies

• La mayoría de los voltajes medidos están por debajo de los 300Kv.

• Contra DA cercanas se puede proteger con BIL de 300 Kv o descargadores de sobretensión tensión (DST) sobre cada fase a 360 Mts.

14/09/2012 24

14/09/2012 25 HMS


• El modelo simplificado de S. Rusck (1958) ayuda a calcular voltaje por descargas cercanas.

donde Is = corriente pico del rayo [kA], h = altura de la línea y = distancia del rayo a la línea

14/09/2012 25

14/09/2012 26 HMS


• Esta ecuación es válida para un solo conductor.

• Para un circuito trifásico los voltajes solamente alcanzan entre el 50% y el 80%

• Los cálculos de este tipo de voltajes son mucho mas complicados.

14/09/2012 26

14/09/2012 27 HMS


• El voltaje crítico de flashover (the critical flashover voltage (CFO)) es usado para identificar el nivel de aislamiento para impulsos de DA. • Para propósitos prácticos es el mismo BIL. • El CFO se define como el voltaje al cual un flashover ocurrirá el 50% de las veces para una onda estándar de prueba.

AISLAMIENTO

14/09/2012 27

14/09/2012 28


Las descargas sobre las fases de los circuitos primarios son llevadas a tierra a través de los DST y por lo tanto (indirectamente) muchas descargas se reflejan en la carga.

La mayor cantidad de la corriente del impulso se disipa en la tierra , pero ya que las tierras no son perfectas , una cantidad apreciable de corriente se presenta en otros conductores conectados a tierra en los primeros μs.

14/09/2012 29


Descargas : flameo inverso, fallas, y por lo tanto una depresión de voltaje y la interrupción.

El impulso puede ser conducido por muchos Kms y puede causar flameos a medida que pasa por postes y estructuras.

Para evitar la anterior se deben instalar DST. La interceptación del impulso en cercanías de la descarga, recorta bastante el impulso.

14/09/2012 30


Dependiendo de la efectividad de la puesta a tierra a lo largo del camino del impulso de corriente, alguna parte de la corriente puede llegar a las cargas.

DST cerca de la descarga se pueden deteriorar debido al esfuerzo severo (muchas descargas son una secuencia continua de varias descargas).

Las descargas no tienen que caer directamente sobre un conductor para producir impulsos sobre el Sistema de Potencia

14/09/2012 31


Pueden caer cerca de la línea y generar impulsos por el colapso del campo eléctrico. Otra posibilidad es que caigan sobre la tierra local, logrando de esta forma que el voltaje de referencia de esta tierra se eleve considerablemente (por encima de cero). Esto ocasionaría que la corriente circule hacia otra tierra u pase cerca de equipos sensibles.

14/09/2012 32

DESCARGAS ATMOSFERICA

Algunos investigadores aseveran que las descargas llegan a los equipos de los usuarios finales a través de la capacitancia que existen entre los devanados de los transformadores.

14/09/2012 33

La inductancia del transformador logra bloquear parte del impulso que trata de circular a través del mismo. A su vez la capacitancia entre devanados ofrece un camino de baja impedancia para la alta frecuencia. Por lo tanto, aparece un voltaje en los terminales secundarios mucho mas alto que el que aparentemente permite la R.T. del transformador.


Modelaje de líneas con el ATP

MicroTran

14/09/2012 34


14/09/2012 35


14/09/2012 36


14/09/2012 37


14/09/2012 38

14/09/2012 39 HMS

DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN (DST)

Se llama descargador de sobretensión (DST) al dispositivo destinado a proteger las instalaciones y los aparatos eléctricos de sobretensiones. El objetivo en la aplicación de un DST es el de seleccionar la mas baja especificación del DST que permita satisfacer adecuadamente el servicio, durante la vida del sistema de potencia, mientras provee adecuada protección al aislamiento de los equipos.

14/09/2012 39

14/09/2012 40 HMS


El Descargador de sobretensión (DST) está entre los dispositivos más incomprendidos y más mal aplicados en la industria. Los DST están conformados con base en resistencias no lineales (tales como los varistores) en los cuales la resistencia se reduce conforme el voltaje se incrementa. Esta reducción continúa hasta que el DST actúa configurándose un corto directo a tierra. Una vez alcanza esta condición, la energía de la descarga migra hacia la tierra lejos del equipo que se esta protegiendo, reduciendo los efectos de las sobrevoltajes. 14/09/2012 40

14/09/2012 41 HMS


Las siguientes normas cubren todo los aspectos relacionados con los DST separándolos en los dos tipos de construcciones que existen: Carburo de Silicio (SiC) y Oxido de metal (OM): • ANSI/IEEE C62.1 (IEEE Standard for Gapped Silicon-Carbon Surge Arresters for AC Power Circuits). • C62.11 (IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating Current Power Circuits).

14/09/2012 41

14/09/2012 42 HMS


14/09/2012 42

14/09/2012 43 HMS


14/09/2012 43

14/09/2012 44 HMS


EL MÉTODO ELECTROGEOMÉTRICO Este método fue desarrollado principalmente por el Ingeniero Whitehead, es utilizado en los estudios de apantallamiento contra rayos utilizando varillas verticales y conductores horizontales para la protección de edificios, líneas de transmisión y subestaciones.

14/09/2012 44

14/09/2012 45 HMS

EL MÉTODO ELECTROGEOMÉTRICO Aplicación a líneas de transmisión. Cuando un rayo hace impacto en los hilos de guarda o sobre los conductores energizados de una línea de transmisión, se desarrollan sobretensiones que viajan en ambas direcciones, partiendo desde el punto donde el rayo hizo impacto, originando, eventualmente, flameos sobre los aisladores.

14/09/2012 45

14/09/2012 46 HMS

El objetivo de este modelo es determinar el punto de impacto de una descarga teniendo en cuenta su intensidad máxima de corriente y la localización del canal de esta descarga, que se supone tiene una trayectoria vertical.

EL MÉTODO ELECTROGEOMÉTRICO

14/09/2012 46

14/09/2012 47 HMS

AI acercarse una descarga a tierra hay un momento en que se supera la rigidez dieléctrica del aire y se produce el salto hacia el objeto mas cercano, que puede ser un árbol, una línea o la misma tierra.

El método establece una relación matemática que relaciona la carga espacial, la magnitud de la corriente del rayo y la distancia de impacto.


14/09/2012 47

14/09/2012 48 HMS


Ac ikr max.=

Ag ikr max.=

14/09/2012 48

(Fuente: Hileman, Andrew H. Insulation Coordination for Power Systems. Marcel Dekker. NY. 1999)


14/09/2012 49

14/09/2012 50 HMS


Im (kA)5 12,010 28,415 35,120 38,925 41,430 43,2 h = 25 m35 44,5 y= 20 m40 45,645 46,4 A = 1050 47,2 b = 155 47,860 48,365 48,770 49,175 49,580 49,885 50,190 50,495 50,6

100 50,8105 51,0110 51,2115 51,4120 51,6125 51,7

pαÁngulos típicos

Ac ikr max.=

Ag ikr max.=

14/09/2012 50

14/09/2012 51 HMS


14/09/2012 51

14/09/2012 52

14/09/2012 53

EL RAYO Se estima que en todo momento hay cerca de 2000 tormentas eléctricas sobre la tierra, generando unos 100 rayos a tierra por segundo.

La mayor incidencia se da en las tres zonas de mayor convección profunda tropical: Suramérica tropical, África central y el continente marítimo.

Colombia, situada en la zona de confluencia intertropical, presenta una de las mas altas actividades eléctricas atmosféricas del mundo, con una cifra de rayos por año superior al millón.

14/09/2012 54

14/09/2012 55

PARAMETROS DEL RAYO

Los parámetros del rayo han sido medidos en latitudes norte o sur pero muy poco en zonas tropicales o semi -tropicales.

Los parámetros recomendados por organismos como V DE y CIGRE se basan en las mediciones directas Ilevadas a cabo por el investigador K. Berger en Monte Salvatore localizado en la frontera Suiza - Italia.

14/09/2012 56

Se recomienda considerar probabilísticamente los valores sugeridos por CIGRE en la latitud norte o los estimados para Colombia a partir de cualquiera sistemas de medición y localización:

• RECMA, propiedad de ISA

• Empresas Públicas de Medellín

• Programa de Adquisición y Análisis de Señales - P.A.A.S. - Universidad Nacional de Colombia

PARAMETROS DEL RAYO

14/09/2012 57

PARAMETROS DEL RAYO

De acuerdo con resultados de investigaciones, se ha planteado la hipótesis que en países tropicales, como Colombia, se pueden esperar valores de parámetros de rayo superiores a los de otras latitudes.

Se recomienda utilizar, para diseños de protección contra rayos, valores de parámetros de rayo con baja probabilidad de ser superados.

14/09/2012 58

• Nivel ceraúnico (# días/año) • Densidad de descargas a tierra (# /km2-año) • Polaridad (Positivo o negativo). • Dirección (Ascendente/descendente) • Multiplicidad (# descargas subsecuentes) • Intensidad de campo eléctrico (E) • Intensidad de campo magnético (H) • Corriente máxima (kA) • Corriente promedio (kA) • Pendiente máxima (kA/s)

FUENTE: http://www.digital-photography-school.com/15-spectacular-lightning-images

PARAMETROS DEL RAYO

14/09/2012 59

http://flickr.com/photos/cdm/256056145/

• Carga impulsiva del líder (A-s) • Carga total del rayo (A-s) • Impulso cuadrático de corriente (A²-s) • Energía de una descarga (A²-s) • Tiempo de frente (s) • Tiempo de cola (s) • Tiempo total (s) • Intervalo entre descargas (s) • Coordenadas (N/S – E/O) • Fecha y hora exactas (a/m/d/h/m/s/ms)

PARAMETROS DEL RAYO

FUENTE: http://www.digital-photography-school.com/15-spectacular-lightning-images 14/09/2012 60

PARÁMETROS DEL RAYO

Nivel ceraúnico (NC)

Este nivel posee en Colombia la distribución espacio - temporal presentada en el mapa de niveles ceraunicos.

Para la evaluación de la actividad de rayos en el área de estudio, se debe tener presente la dinámica temporal multianual del fenómeno y representar el NC mediante una distribución de probabilidad acumulativa. 14/09/2012 61


Densidad de descargas a tierra (DDT)

La densidad es un parámetro complementario al NC, que permite cuantificar la incidencia de rayos en la zona.

En Colombia todavía no hay suficientes datos.

Para su cálculo se puede utilizar la siguiente ecuación que es función del nivel ceraunicos y tiene en cuenta la latitud δ:

DDT = (0, 1 + 0,35 Seno δ) 0,6 NC

14/09/2012 62


Polaridad

Tipo de carga, positiva o negativa, asociado con la descatrga de retorno del rayo.

14/09/2012 63


VALOR PICO DE LA CORRIENTE DE RETORNO DEL RAYO

También Ilamado corriente máxima del rayo (Lightning Peak Current), dado en kiloamperios, es importante para el cálculo de la caída de tensión de la resistencia al impulso de la puesta a tierra de la instalación y para el cálculo de la distancia de impacto (rs) del rayo a la estructura.

La corriente máxima del rayo se estima indirectamente por un sistema localizador de rayos

14/09/2012 64


La corriente máxima del rayo se estima indirectamente por un sistema localizador de rayos.

Tales sistemas tienen sensores remotos que miden el campo eléctrico y/o magnético producido por un rayo a grandes distancias, lo que permite el cálculo de la corriente del rayo.

14/09/2012 65


14/09/2012 66


14/09/2012 67


MÁXIMA RATA DE ASCENSO DE LA CORRIENTE DEL RAYO (di/dt)max. (Current Rate-of-Rise)

El valor (di/dt) max se utiliza para el cálculo de las tensiones electromagnéticas inducidas que se presentan en los lazos metálicos, abiertos o cerrados, en cualquier instalación y son las causantes de daños en equipos electrónicos.

14/09/2012 68


MÁXIMA RATA DE ASCENSO DE LA CORRIENTE DEL RAYO (di/dt)max. (Current Rate-of-Rise)

El máximo valor de tensión inducida (V max), en Voltios, en un lazo metálico, se expresa como: V max = M (di/dt)max

Donde M es la inductancia propia del lazo metálico, expresada en Henrios, la cual depende de la geometría y, (di/dt)max es la máxima rata de ascenso de la corriente del rayo expresada en kA/J.ls.

14/09/2012 69


CUADRADO DE LA CORRIENTE DE IMPULSO DEL RA YO (j2dt) Se utiliza para el cálculo del calentamiento y los esfuerzos electromecánicos al circular la corriente del rayo por conductores metálicos.

Para un conductor de Resistencia óhmica R, la energía W, disipada en forma de calor, y expresada en Julios, es:

W = R∫ i dt Estos parámetros característicos del rayo son básicos para estudios de potenciales a tierra, tensiones de acople de líneas apantalladas, calculo de corrientes permitidas en el cuerpo humano, calculo de tensiones de paso, calentamiento de conductores y sobretensiones inducidas, entre otros. 14/09/2012 70


CUADRADO DE LA CORRIENTE DE IMPULSO DEL RA YO (j2dt)

Se utiliza para el cálculo del calentamiento y los esfuerzos electromecánicos al circular la corriente del rayo por conductores metálicos.

Para un conductor de Resistencia óhmica R, la energía W, disipada en forma de calor, y expresada en Julios, es:

W = R∫ i dt 14/09/2012 71


14/09/2012 72

Respecto a los rayos se puede afirmar, sin lugar a dudas, que no existen medios para evitarlos pero existen medidas para ejercer un control que ofrezca seguridad a las personas y a los equipos eléctricos y electrónicos.

Las precauciones de protección apuntan hacia los efectos secundarios y a las consecuencias de una descarga eléctrica atmosférica.

EL RAYO

14/09/2012 73

14/09/2012 74

DESCARGAS ATMOSFERICA SISTEMA GENERAL DE PROTECCIÓN

14/09/2012 74

14/09/2012 75

Conmutación de condensadores

La conmutación de condensadores es uno de los hechos más comunes en los sistemas eléctricos. Los condensadores se utilizan para: • Proporcionar energía reactiva (en unidades de vars) para corregir el factor de la energía. • Reducir pérdidas • Apoyar el voltaje en el sistema. • Son medios muy económicos para inyectar potencia reactiva cerca de la carga.

14/09/2012 76


Los métodos alternativos tales como el uso de máquinas que rotan y de compensadores electrónicos del var son mucho más costosos o tienen altos costos de mantenimiento. La conmutación de condensadores implica la presencia de sobretensiones transitorias. Debido a que usualmente los condensadores se conectan a horas fijas, los problemas se presentan siempre a la misma hora. Por ejemplo disparos de los ASD y otras cargas controladas electrónicamente

14/09/2012 77


14/09/2012 78

Conmutación de condensadores El aumento generalmente está entre 1.3 y 1.4 p.u. Pero podría llegar hasta 2.0 .

El voltaje se propaga a través del sistema de potencia, dependiendo de las RT de los transformadores.

14/09/2012 79


Estos voltajes generalmente no ocasionan daños al aislamiento, pero pueden causar la operación indebida de equipos electrónicos:

- Tiristores

- Controles de equipos

- Equipos de conversión de potencia (AC-DC).

14/09/2012 80

Conmutación de condensadores Bancos sólidamente aterrizados, pueden ocasionar altos voltajes transitorios en el sistema de tierra , debido a la alta corriente de energización. Cerca de cuatro veces la corriente de carga del circuito.

14/09/2012 81


14/09/2012 82

http://rauljes.blogspot.com/ 14/09/2012 83

14/09/2012 84

Conmutación de condensadores Magnificación de la tensión

Adición de bancos de condensadores en el usuario, cerca de bancos de la electrificadora puede ocasionar aumento en los voltajes transitorios en el mismo usuario.

Depende del tamaño del banco y del tamaño del transformador de conexión del usuario. Puede llegar a ser de 4 p.u.

14/09/2012 85

Conmutación de condensadores Magnificación de la tensión

14/09/2012 86

Conmutación de condensadores Se puede hacer uso de resistencias de preinserción o interruptores de cierre sincronizado en las maniobras de la electrificadora.

En principio de puede hacer uso de DST de alta energía para limitar la sobretensión en el punto del cliente.

Estos transitorios generalmente tiene contenidos energéticos del orden de 1 kJ.

14/09/2012 87

Los DST tipo MOV (Metal Oxide Varistor) permiten entre 2 y 4 KJ .

Estos DST limitan el voltaje típicamente a 1.8 pu. Lo cual puede que no sea suficiente para proteger los equipos.

Muchos equipos sólo permiten hasta 1.75 pu (SCR “Silicon Controlled Rectifiers” usados en la industria)


14/09/2012 88

Una buena opción para evitar la magnificación, es convertir el banco de condensadores de corrección del FP en un filtro de armónicos , ya que la inductancia en serie con el condensador limita el sobrevoltaje transitorio.

Si solo se afectan unos pocos equipos es mas económico ubicar reactores en serie con el equipo para bloquear estos transitorios de alta frecuencia.

El reactor debe tener una reactancia del 3% . Esta reactancia es baja a frecuencia nominal pero alta a altas frecuencias . Muchos drives ya la tienen incorporada.


8a. sobretensiones

Documents