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7/23/2019 Coordinacin del Aislamiento Parte 2
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Coordinacindel AislamientoProf. Juan Bautista U NI FIEE
Exposicin para uso estrictamente acadmico y por tanto no secomercializa, y preparada tomando como base el Proyecto de Tesis para
obtener el ttulo profesional de Ingeniero Electricista de la candidata:
Nthali Morales Mario, de la Escuela Politnica Nacional de Quito -
Ecuador
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Prof. Juan Bautista
Elementos de Proteccin ante Sobretensiones
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Los elementos para proteccin contra
sobretensiones protegen a los equiposelctricos contra tensiones transitorias,
descargando a tierra las corrientes de impulso,
permitiendo la circulacin de la corriente defrecuencia industrial posterior al transitorio
(corriente subsiguiente) y con la capacidad de
repetir su funcin.
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Funciones del dispositivo de proteccin:
Comportarse como un aislador mientras la tensin aplicada no supere unvalor determinado, superior a la tensin mxima del sistema.
Comportarse como un conductor para descargar a tierra la onda de
corriente producida por la sobretensin.
Interrumpir la conduccin de la corriente a tierra una vez que la
sobretensin ha desaparecido del sistema y se ha restablecido la tensin
nominal.
No debe operar con sobretensiones temporales a frecuencia industrial.
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Las tensiones y sobretensiones a considerarse con respecto al
uso de los dispositivos de proteccin son:
Tensin normal de funcionamiento (tensin ms elevada del sistema).
Sobretensiones temporales (TOV),
Sobretensiones de frente lento (sobretensiones por maniobra),
Sobretensiones de frente rpido (sobretensiones atmosfricas).
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Limitar este tipo de sobretensiones implicara unaalta absorcin de energa del pararrayos, debido altiempo de permanencia de la sobretensin
la amplitud de la sobretensinpodra superar a la tensinsoportada por los equipos.
Sobretensiones : rangos de duracin y amplitud y la relacin entre ellas con las
tensiones limitadas por el pararrayos y las tensiones soportadas por el aislamiento
del equipo.
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En subestaciones con voltajes correspondientes al Rango II, a
diferencia de los sistemas del Rango I, a ms de lassobretensiones por descargas atmosfricas directas sobre las
lneas se debe considerar las sobretensiones por maniobra,
puesto que stas alcanzan magnitudes importantes conforme
aumenta la tensin nominal del sistema.
De aqu que, en subestaciones con UN=500kV, la presencia de
sobretensiones atmosfricas o de maniobra pone en riesgo al
equipo y por tanto al suministro de energa.
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Existen dos tipos de elementos de proteccin estandarizados de acuerdo con la
Norma IEC 71-2:
Pararrayos tipo resistencia no lineal con
explosores en serie.
Pararrayos de oxido metlico (xido de zinc)
sin explosores.
No son la nica alternativa de proteccin.
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Por qu son necesarios los pararrayos?
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En sistemas con neutros slidamente conectados a tierra y con poca
presencia de sobretensiones temporales, el uso de pararrayos de oxido metlico
sin explosores se ha extendido en gran manera, debido a su caracterstica deproteccin superior ante sobretensiones de frente lento.
Los pararrayos con explosores se adaptan mejor para la proteccin de sistemas con
neutro aislado o con conexin a tierra resonante, en los que las sobretensionestemporales debidas a fallas a tierra pueden llegar a ser de larga duracin. As como
para la proteccin de redes en el Rango I y en particular en sistemas con tensiones
correspondientes a las ms bajas de este rango. Sin embargo, en la actualidad los
pararrayos de xido de zinc son los ms usados, razn por la cual han desplazado a
los pararrayos basados en explosores que casi ya no se fabrican y estn saliendo delmercado.
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Por ejemplo si el sistema en estudio corresponde a500 kV (Rango II), y con neutro slidamente
conectado a tierra, el dispositivo de proteccin contra
sobretensiones compatible con las caractersticas delsistema es el pararrayos de xido metlico sin
explosores.
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Se basan en el uso de resistencias de
xido metlico, en su gran mayora,xido de zinc.
La principal caracterstica de lasresistencias de xido metlico es la
extrema no linealidad de su relacin
voltaje corriente.
1. PARARRAYOS DE XIDO METLICO SIN
EXPLOSORES. (SEGN NORMAS IEC )
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Por tanto, el comportamiento del
pararrayos varia segn la corrienteque circule a travs de l.
Y las corrientes a travs delpararrayos en condiciones de tensin
de frecuencia industrial sern tan
pequeas que se comporta como un
aislador.
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Al contrario, si las corrientes que
circulan a travs del pararrayos son
corrientes de impulso en el orden dekAmp, (corrientes debido
sobretensiones atmosfricas o de
maniobra), el pararrayos se comportacomo un conductor, descargando a
tierra estas corrientes y haciendo que
la tensin resultante en sus terminalesno sea excesivamente alta.
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Curva voltaje corriente para un pararrayos de xido metlico, en
donde se puede apreciar la no linealidad.
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En la Figura siguiente se
identifican dos zonas de
operacin del pararrayos, laprimera esta relacionada con
tensiones de frecuencia industrial
en la zona de bajas corrientes yla otra corresponde a la zona de
proteccin, en donde se tiene
corrientes altas (orden de kA),debidas a las sobretensiones.
Pararrayos 800kV
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O de rgimen permanente
del pararrayos.
Tensin asignada
La corriente nominal de descarga puede ser a
impulsos de maniobra o a impulsos atmosfricos.Esta ltima corresponde a corrientes de frente
rpido.
Es menor que la tensin de aguante del equipo protegido
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Aqu las corrientes a t ravs del pararrayos son
pequeas comparadas con las corrientes de descarga,
su duracin es mucho mayor, razn por la cual, el
esfuerzo trmico del pararrayos en la zona de
frecuencia industrial es ms crtico que en la zona de
proteccin.
Existen otras caractersticas que dependen de lascondiciones particulares de operacin, y deben tambin
ser consideradas, estas son: la clase de descarga de
lnea, la clase de alivio de presin, el comportamiento
bajo contaminacin, la facultad de limpieza bajo tensin y
las propiedades mecnicas.
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El pararrayos deber ser identificado
por sus datos de placa con lassiguientes especificaciones mnimas:
Voltaje de operacin continua.
Tensin asignada. Frecuencia asignada (si difiere de las
frecuencias estndar: 50 y 60 Hz).
Corriente nominal de descarga.
Corriente sostenida de corto circuito
asignada en kA.
Pararrayos 800kV
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Nombre del fabricante y cdigo de identificacin.
Identificacin de la posicin de los elementos parael ensamblaje (aplicable slo en pararrayos con
varios elementos).
Ao de fabricacin.
Nmero de serie.
Clase de descarga de lnea (opcional).
Nivel de soporte a la contaminacin del
revestimiento del pararrayos (opcional).
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Analizemos de cada una
de estas caractersticas ylos criterios para su
seleccin.
Ojo los pararrayos se
instalan entre fase ytierra.
Fase
A tierra
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1.1 Voltaje de operacin continua del pararrayos (Vc).
Valor mximo permisible de voltajesinusoidal rms de frecuencia industrial quese puede aplicar continuamente entre losterminales del pararrayos, sin presentarproblemas trmicos.
Vc (pico) > Voltaje pico ms elevado de operacinen el sitio de ubicacin del pararrayos. En caso deque el vol taje ms elevado de operacin al sitio delpararrayos no se conozca con precisin, se debeconsiderar la tensin ms elevada del sistema (Vs)o la tensin ms elevada para el equipo (Vm).
Vc
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Como regla general, se debe cumplir que el voltaje de
operacin continua del pararrayos debe ser:
,
2
s f t
c
VV
,
2
m f t
c
V
V
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scV V
mcV V
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,1.05
2
s f t
c
VV
1.053
sc
VV
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1.2. Tensin asignada (nominal) de un
pararrayos segn norma IEC (Vr).
Es el mximo valor rms de frecuencia industrial
que al ser aplicado durante 10 s entre losterminales del pararrayos no altera el correcto
funcionamiento del mismo
Vr se relaciona con la capacidad del pararrayospara soportar sobretensiones temporales. Algunosfabricantes especif ican este valor como TOV ocapacidad de sobretensiones temporales y por logeneral se lo define para 1 y 10 s.
Vr
La tensin asignada sirve como parmetro de referencia para la
especificacin de la caracterstica de comportamiento del pararrayos
bajo tensin de frecuencia industrial en funcin del tiempo.
1.25r cV V
Vc
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La tensin nominal o asignada se determina en funcin de las
sobretensiones temporales en el punto de ubicacin del
pararrayos, considerando, tanto sus amplitudes as como sus
tiempos de duracin.
El principal requisito a ser cumplido es que la caractersticade comportamiento del pararrayos bajo tensin de frecuencia
industrial en funcin del tiempo sea mayor que la
caracterstica de amplitud de la sobretensin temporal en
funcin tiempo del sistema..
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Resumen de las principales causas, amplitudes y tiempos de
duracin de las sobretensiones temporales ms importantes a
ser consideradas:
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Una sucesin de causas de sobretensiones
temporales, como por ejemplo, el rechazo de carga
como consecuencia de una falla de la tierra, se debenconsiderar nicamente si ambas sobretensiones
tienen una severidad comparable.
En este caso, la cantidad de carga rechazada
depender de la ubicacin de la falla, y la ubicacin
del pararrayos deber ser analizada con mayorcuidado.
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La expresin siguiente es una aproximacin
que permite convertir la caracterstica deamplitud versus duracin de las sobretensiones
temporales con una duracin de entre 0.1 a
100s, a una amplitud equivalente Veq con unaduracin de 10s y que por lo tanto corresponde
a la capacidad de sobretensin temporal que el
pararrayos debe ser capaz de soportar.
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Con esto se permite cumplir con el criterio que para
una caracterstica de amplitud de sobretensintemporal en funcin del tiempo dada, se deber
seleccionar una caracterstica de comportamiento del
pararrayos ms alta, esto significa que la capacidad
de sobretensiones temporales del pararrayos debe ser
mayor o igual que la sobretensin temporal
equivalente ms elevada obtenida de la expresin
siguiente.
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10
m
teq t
TV V
0.018; 0.022m
0.02mediom
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Se recomienda aplicar un margen de seguridad (5% a 15%)
entre la sobretensin temporal equivalente mxima y la
tensin asignada (TOV) con el propsito de cubrir posiblesimprecisiones del valor de la sobretensin temporal.
Los valores estandarizados de las tensiones asignadas segn
normas IEC se establecen segn la Tabla siguiente en donde
los valores estandarizados se definen a travs de un nmero
de pasos iguales dentro de gamas especificadas de voltaje.
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En el caso de que se requiera un nivel de proteccin
inferior al del pararrayos seleccionado, se puede elegiruna tensin asignada menor a las sobretensiones
temporales equivalentes de duracin 10s, tomando en
cuenta que el pararrayos debe tener la capacidad de
absorber la energa debida a eventos en el sistema.
En tal caso, se deben efectuar clculos de absorcin
de energa simulando los eventos en la red.
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El concepto de tensin nominal que usa el fabricante
es congruente con el dado por la norma. Es decir, la
tensin nominal est relacionada con la capacidad
que tiene el pararrayos de operar frente a las
sobretensiones temporales del sistema en un
perodo definido de tiempo.
Sin embargo el procedimiento empleado por el
fabricante para definir el valor de la tensin nominalest basado en criterios prcticos.
1.3. Tensin nominal del descargador (Vr).
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,min 1.25r cV V
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,
,min 1.25 1.05
2
s f t
r
VV x
,min 1.25 1.05
3
s
r
VV x
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El factor kTOV se define como la relacin entre el valor eficaz dela tensin admisible de frecuencia industrial (TOV) y el valor
eficaz de la tensin nominal del pararrayos. Entonces, latensin nominal se puede determinar en funcin de TOV y
kTOV, tal como se indica en la expresin. La ventaja de estaexpresin es que se puede aplicar para varios tipos de
sobretensiones temporales y de diferente duracin.
min
TOV
Valor rms
Tensin admisible
de frecuencia industrial TOV
k
Tensin No al
del Pararrayos
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El segundo criterio se apega un poco ms a la
definicin de tensin nominal dada en la norma, puesto
que el clculo para la determinacin de Vr se hace enfuncin de las sobretensiones temporales (TOV) del
sistema, considerando su amplitud y duracin. Para
esto el fabricante proporciona curvas que permitendeterminar un factor de sobretensiones temporales
(kTOV) en funcin del tiempo de duracin de la
sobretensin.
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Curva tpica de la relacin kTOV versus tiempo: a mayor sobretensin temporal menor es el tiempo que puede ser aplicadasobre el pararrayos.
La tensin nominal puede aplicarse por un lapso de 100 s y que sobretensiones de 10s y 1s corresponden a tensiones7.5% y 15% mayores que la tensin nominal, respectivamente. Es aqu donde se puede apreciar la diferencia de conceptosentre la norma y el fabricante.
+7.5%
+15%
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Si la sobretensin excede el tiempo establecido segn la curva
se tendr un elevado incremento en la temperatura del
descargador, pudiendo llevarlo a inestabilidad trmica.
Para la seleccin final de la tensin nominal del pararrayos, se
evalan las dos expresiones:
,min 1.25
r cV V
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Esta ltima podr ser calculada para varias
sobretensiones temporales independientemente, encaso de contar con esta informacin, o para la peor
condicin asumida de sobretensin temporal, quepara
sistemas con neutro rgido a tierra corresponde a unfactor de falla a tierra k = 1.4 y una duracin de 10s. Al
final la tensin nominal del pararrayos ser el valor
normalizado correspondiente al mayor valor de todoslos calculados.
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1 4 N IEC f b i t
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1.4. Norma IEC vs fabricantes.
Al comparar la definicin y el mtodo de determinacin
de la tensin nominal de un pararrayos dada en lanorma con lo expuesto por los fabricantes (ABB y
Siemens), se puede identificar que si bien ambos
relacionan a la tensin nominal con la capacidad delpararrayos para soportar sobretensiones temporales,
difieren en el perodo de tiempo en que la tensin
nominal puede ser aplicada.
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Segn la norma la tensin nominal es la mxima tensin que se puede aplicar
al pararrayos por un perodo de 10 s, y en base a esto se calcula Vr con la
expresin:
Por otro lado, de las curvas k tov vs tiempo dadas por el fabricante se puedever que la tensin nominal puede ser aplicada por un perodo de 100 s.
10
m
teq t
TV V
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Entonces la norma describe un perodo de
referencia de 10 s y el fabricante uno de100 s. Esto da como resultado que la
tensin nominal calculada por la norma >que la calculada segn el fabricante, ya
que a menor tiempo mayor ser la tensin
aplicable.
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Por ello segn la curva de ktov se podra
aplicar una tensin 7.5% mayor que latensin nominal por un periodo de 10 s.
Mientras que segn la norma durante 10 s
la mxima tensin aplicable es la nominal.
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El fabricante suele presentar tablas en las
que para cada tensin nominal de red seespecifican varios valores de tensiones
nominales Vr, tensiones de funcionamiento
continuo mximas Vc y tensiones decapacidad de sobretensiones temporales
(TOV) para 1 y 10 segundos.
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La dos Tablas siguiente muestran datos tpicos del fabricante. Para estos casosbien se podra relacionar el concepto dado en la norma y a la expresin, con lo que el
fabricante denomina en sus catlogos como Capacidad de Sobretensiones
Temporales para una duracin de 10 s.
Debido a que en la prctica se deber elegir al pararrayos conforme a los
catlogos de los fabricantes y tomando en cuenta que sus criterios han sido
probados y avalados en aplicaciones prcticas, se usar la metodologa de
clculo propuesta por el fabricante en la determinacin de la tensin nominal delpararrayos.
En las dos tablas siguientes adems de la tensin nominal o asignada se
especifica una tensin TOV que es la que correspondera a la tensin
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especifica una tensin TOV que es la que correspondera a la tensin
asignada definida segn la norma IEC.
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1.5. Corriente nominal de descarga In
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1.5. Corriente nominal de descarga In
In es el valor pico deuna corriente tipo rayo
normalizada de 8/20
seg, y sirve parahacer una clasificacin
de los pararrayos,
segn se muestra en
la Tabla siguiente.
Es el principal parmetro
para establecer el nivel de
proteccin y la capacidad
de absorcin de energa
de un pararrayos
In
Cl ifi i d l P d O id M tli
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Clasificacin de los Pararrayos de Oxido Metlico
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In se elige en funcin de la corriente de
descarga tipo rayo que atraviesa elpararrayos, para la cual se busca la proteccin
del equipo.
Se debe de considerar que la corriente que llega
hasta el pararrayos para ser descargada a tierra
siempre ser inferior que la corriente del rayo.
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Esto se debe principalmente a dos razones:
1. La primera se basa en estudios que establecen quela probabilidad de que el valor pico de una corriente
debida a una descarga atmosfrica sobre un
conductor de fase tenga valores mayores a los 20kA es baja, por esta razn se tiene valores
normalizados de corrientes de descarga de hasta 20
kA.
Nota aparte: Se muestra los valores de la probabilidad de que unacorriente debida a una descarga atmosfrica exceda un valor
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corriente debida a una descarga atmosfrica exceda un valor
determinado.
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Dando valores de I dentro el rango establecido
se puede calcular el valor de P. La Figura
siguiente muestra la curva de la probabilidad
en funcin de la corriente I, de donde
claramente se puede notar que la probabilidadde que un impulso de corriente debido a una
descarga atmosfrica tome valores mayores a
20 kA es baja.
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La segunda contempla el hecho de que alpresentarse una descarga atmosfrica directa
sobre un conductor de fase, las ondas decorriente que se propagarn a lo largo de la
lnea provocarn en la mayora de los casos el
flameo de su aislamiento, derivando a tierra
parte de la corriente y haciendo que la onda de
corriente que llega hasta la subestacin sea unaonda de corriente reducida.
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La probabilidad de que una descarga
atmosfrica golpee al conductor de fase
en el vano adyacente a la subestacin es
muy baja debido a su alto nivel de
apantallamiento, de ah que la onda decorriente deber pasar por al menos una
cadena de aisladores antes de alcanzar la
subestacin.
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La experiencia ha demostrado que un nivel de
proteccin confiable en sistemas del Rango II se
consigue al seleccionar la corriente nominal dedescarga bajo los criterios:
Para tensin ms elevada 420 kV, se
considera suficiente el uso de pararrayos con
una corriente nominal de descarga de 10 kA.
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Para sistemas de tensin mselevada > 420 kV, se considera que
puede ser necesario el uso de
pararrayos de 20 kA.
1.6. Nivel de proteccin del pararrayos.
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El nivel de proteccin est asociado con el
valor pico de la tensin que aparece entre
los terminales del pararrayos durante la
circulacin de la corriente de descarga, a
esta tensin se la denomina tensinresidual (Vres) o tensin de descarga. Los
niveles de proteccin se especifican para
impulsos tipo rayo y tipo maniobra.
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Nivel de proteccin ante un impulso tipo rayo
se define como el mximo valor de tensin residual a corriente nominal dedescarga y se aplica para la proteccin de los equipos contra sobretensiones
de frente rpido, como es el caso de las sobretensiones por descargas
atmosfricas.
La eficacia de la proteccin ante tales sobretensiones, es funcin del tiempo
de retraso en el mecanismo de conduccin de los varistores.
El fabricante en sus catlogos asocia valores para el nivel de proteccin a
impulsos atmosfricos con cada valor de tensin asignada especificado.
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El nivel de proteccin a un impulso de maniobra se define como elmximo valor de tensin residual a corrientes de impulso de maniobra y se aplica en la
proteccin del equipo contra sobretensiones de frente lento. La Tabla siguiente muestra
las corrientes de impulso de maniobra para las cuales se especifica un nivel deproteccin.
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Valores tpicos de las mximas tensiones residuales ante corrientes deprueba tipo rayo y tipo maniobra.
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Tener presente que el nivel de proteccin de un
pararrayos representa una tensin entre sus
terminales producto de la circulacin de una corrientenormalizada de prueba cuyo valor corresponde a la
corriente nominal de descarga.
Esto significa que la tensin en los terminales del
equipo a proteger no es igual al nivel de proteccin,
sino que puede ser considerablemente mayor.
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Esto se debe al efecto de reflexin y
superposicin de las ondas de sobretensin enfuncin de la distancia de separacin entre el
pararrayos y el equipo, y a la posibilidad de
tener corrientes de descarga mayores que lacorriente nominal, situacin menos probable.Este hecho deber ser considerado en el proceso
de coordinacin de aislamiento.
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Notar que para un tipo especfico de resistencia de
xido metlico los valores de tensin de operacin
permanente, tensin nominal y tensin residual seajustan a una relacin fija, segn la curva voltaje
corriente (V-I) de la resistencia.
Esto implica que no se puede disminuir o aumentar
alguno de estos valores aisladamente, sin influir sobre
los otros.
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Por ejemplo, el disminuir el valor de nivel
de proteccin implica desplazar la curva V-
I hacia abajo y por lo tanto, disminuir
tambin el voltaje de operacin
permanente y la tensin nominal, lo cualinvolucra una condicin de menor
estabilidad en la operacin a frecuencia
industrial.
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Para conseguir bajos niveles de proteccin sin alterar
los valores de la tensin nominal y de operacin
continua, se deber tener una relacin entre el nivel deproteccin y la tensin nominal tambin baja, lo que se
traduce en una curva V-I ms plana.
Esto se consigue fsicamente al aumentar la seccin
de las pastillas de xido de zinc.
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Entonces,para una tensin nominal dada, se podr disminuir el nivel de
proteccin bajo la condicin de tener resistencias de xido de zinc de mayor
dimetro.
Bajo esta premisa, es factible que para una tensin nominal y de operacin
continua definidas se tenga varios niveles de proteccin.
De hecho el fabricante en sus catlogos especifica varios valores de nivel deproteccin para un mismo valor de tensin asignada.
1.7. Clases de descarga de lnea.
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Se identifica como un nmero
relativo a la capacidad deabsorcin de energa de los
pararrayos de 10 y 20 kA,aplicables para la descarga de
lneas de gran longitud.
1.7. Clases de descarga de lnea.
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De acuerdo con la norma IEC 60099-4 se
definen cinco clases para las que, al
incrementar el nmero de clase se incrementatambin la capacidad de absorcin de energa
del pararrayos, as para lospararrayos de 10 kA
se definen las clases de 1 a 3, mientras queparapararrayos de 20 kA se definen las clases
4 y 5.
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Presentamos ahora las
expresiones que permiten evaluarla energa a ser absorbida por el
pararrayos segn el tipo desobretensin y en funcin del nivel
de proteccin.
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En la prctica la capacidad de absorcin de energa del pararrayos se
define nicamente en funcin de la expresin 2.16. Esto se debe a que las
sobretensiones generadas por el cierre y recierre de lneas son las
sobretensiones de frente lento ms severas en sistemas del Rango II y por lo
tanto exigen mayor capacidad de absorcin.
Criterio que es compartido por el fabricante, quien tambin considera la
misma expresin. Sin embargo, en caso de que se conozca todos losparmetros que permiten evaluar las expresiones es recomendable hacerlo.
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Para sistemas del Rango I en
dnde la energa debida aoperaciones de maniobra es baja,
la capacidad de absorcin serdeterminada por sobretensiones
debidas a descargas atmosfricas.
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Los parmetros de la expresin
deben ser determinados para
el sistema en estudio.
No obstante en caso de no tener informacin
especfica se puede usar valores tpicos segn
el tipo de sistema.
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La Tabla siguiente muestra valores tpicos de impedancia
caracterstica en funcin del voltaje nominal del sistema.
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El nivel de proteccin del pararrayos se elige de
la informacin otorgada por el fabricante y eltiempo de propagacin de la onda se calcula en
funcin de la longitud de la lnea y la velocidad
de propagacin cuyo valor tpico esaproximadamente:
velocidad del rayo = velocidad de la luz = 0.3 km/s
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La energa absorbida por el pararrayos ser mayor conforme menor sea el nivel de
proteccin del pararrayos.
Una vez calculada la energa que el pararrayos debe ser capaz de absorber, se debe
calcular la energa especfica, dividiendo la energa a ser absorbida para el valoreficaz de la tensin nominal. Esto es:
El valor resultante para la energa especfica calculado a partir de la
expresin, se debe entonces comparar con los valores normalizados
mostrados en los catlogos de fabricantes para as seleccionar la clase de
descarga de lnea correspondiente a un valor de energa especfica de al menosel valor calculado.
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Por otra parte, las pruebas de descarga de lnea
segn la Norma IEC 60099-4, que un pararrayos
especificado para dicha norma debe cumplir,consisten en aplicar al pararrayos impulsos de
corriente para simular su descarga,
considerando condiciones exigentes deabsorcin de energa para as cumplir
satisfactoriamente con las condiciones reales
del sistema.
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Para esto se considera la expresin junto con los parmetros
expuestos en la Tabla. La capacidad de absorcin de energa del
pararrayos deber ser mayor o igual que el doble del valor de
energa especfica calculado en funcin de la expresin.
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En caso de que la absorcin de energa
requerida sea mayor que la capacidad de
absorcin de energa del pararrayosseleccionado, se recomienda elegir una
corriente nominal de descarga ms elevada, o
una clase de descarga de lnea superior. Otraopcin es aumentar la tensin nominal del
pararrayos tomando en cuenta que se respeten
los niveles de proteccin adecuados.
1.8. Clase de alivio de presin.
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Se refiere a la capacidad de corriente de
cortocircuito del pararrayos, es decir, a lacapacidad de soportar corrientes de falla
internas sin producir la explosin violenta
de su revestimiento o cubierta, ya que estopodra ocasionar daos a los equipos
circundantes o daos personales.
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Por lo tanto, el criterio para la
especificacin de un pararrayos serseleccionar una clase de limitador de
presin mayor o igual a la mximacorriente de falla que se pueda
presentar.
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A pesar que en la prctica el tener una corriente de corto
circuito circulando a travs del pararrayos es un evento muy
poco probable, los descargadores cuyo revestimiento esfactible de explotar cuentan con dispositivos de alivio de
presin cuyo objetivo es trasladar la descarga interna, producto
de la corriente de falla, hacia la parte externa del pararrayos
para liberar al revestimiento de la alta presin que los gases
ionizados producto de la descarga ejercen sobre l, evitando
as su violenta explosin.
L di iti d li i d i i t d
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Los dispositivos de alivio de presin consisten de
diafragmas que permiten evacuar los gases ionizados
del interior del pararrayos. La Figura muestra eldiafragma como parte del sistema de sallado y el
proceso de alivio de presin en un pararrayos
E i i i d
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Existen pararrayos cuyo revestimiento es de
tipo polimrico y se encuentra colocado
directamente sobre la columna de resistenciashaciendo nulo el riesgo de explosin, en este
caso el revestimiento se rasga con facilidad
para permitir la salida de la descarga al exteriorhaciendo innecesario el sistema de sellado y de
alivio de presin.
E l i d l t i
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En cualquiera de los casos, posterior a un
evento de esta naturaleza es necesario sustituir
al pararrayos.
Dado que no todos los pararrayos cuentan con
un dispositivo de alivio de presin, ladenominacin de clase de alivio de presin se
ha visto remplazada por la de capacidad de
corto circuito del pararrayos.
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2. CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO.
Los pararrayos especificados bajo la
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Los pararrayos especificados bajo la
Norma IEC60099-4 cumplen con las
siguientes condiciones normales defuncionamiento:
Temp. ambiente entre -40C y +40C
Radiacin solar mxima: 1.1 kW/m2
Altura no mayor a 1000 msnm.
F i d l f t d li t i t 48 62 H
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Frecuencia de la fuente de alimentacin entre 48 y 62 Hz.
La tensin de frecuencia industrial aplicada continuamente
entre los terminales del pararrayos no debe superar a la tensinde operacin continua del mismo.
Condiciones mecnicas (bajo consideracin, verificar con elfabricante).
Condiciones de contaminacin (La norma no ha definido anrequisitos).
Velocidad del viento menor a 34 m/s.
Montaje vertical.
Por lo tanto durante la seleccin del pararrayos
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Por lo tanto durante la seleccin del pararrayos,
es necesario verificar que se cumpla con las
condiciones antes descritas.
En caso de no cumplir con alguna de estas
condiciones, se deber solicitar al fabricante unpararrayos apropiado para operar bajo las
condiciones reales al sitio de instalacin.
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En laprctica es comn que el
fabricante supere los requisitos de
la norma en sus modelos
estndares.
El criterio general para la seleccin de un
3. PRINCIPIOS DE SELECCIN Y APLICACIN DELPARARRAYOS.
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El criterio general para la seleccin de un
pararrayos es analizar y contrastar las
caractersticas del descargador con losrequerimientos del sistema en estudio. Las
caractersticas a ser analizadas se han dividido
en dos grandes grupos que son:
Las caractersticas elctricas.
Las caractersticas mecnicas y medioambientales.
Las caractersticas elctricas corresponden con las
3.1 Caractersticas Elctricas
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caractersticas descritas en la seccin anterior. La Figura
muestra la relacin que debe existir entre los parmetros del
sistema frente a los parmetros del pararrayos.
Se puede observar que el voltaje de operacin
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Se puede observar que el voltaje de operacin
continua del pararrayos (Vc) debe ser mayor que la
tensin mxima del sistema (Vs), que el pararrayosdebe ser capaz de soportar las sobretensiones
temporales que se puedan presentar y que los
niveles de proteccin del pararrayos frente a
descargas atmosfricas y de maniobra (Vpl y Vps)
sean inferiores a los niveles de aislamiento
respectivos (Vwl y Vws).
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Procedimiento recomendado para laseleccin del pararrayos.
1. Determinar el voltaje de operacin continua del
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1. Determinar el voltaje de operacin continua del
pararrayos en funcin de la tensin ms elevada del
sistema.
2. Determinar la tensin asignada o nominal (Vr) en
funcin de las sobretensiones temporales del sistema.
3. Estimar la magnitud de las corrientes de descarga de
rayo que se prev atravesarn al pararrayos as como los
requerimientos de descarga de lnea para proceder a
seleccionar la corriente nominal de descarga.
4. Determinar las caractersticas de capacidad de
absorcin de energa y clase de descarga de lnea.
5. Seleccionar la clase de limitador de presin en funcin
de la corriente de falla esperada.
6. Seleccionar un pararrayos que satisfaga con los requerimientos hasta aqu
analizados.
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7. Determinar y seleccionar las caractersticas de proteccin del pararrayos ante
impulsos tipo rayo y tipo maniobra.
8. Ubicar al pararrayos tan cerca como sea posible del equipo a ser
protegido.
9. Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulsos de maniobra, tomando
en cuenta las sobretensiones de frente lento representativas.
10. Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulsos tipo rayo,
tomando en cuenta:
o La sobretensin por descarga atmosfrica incidente representativa
determinada por el comportamiento de la lnea conectada al pararrayos frete
a la descarga atmosfrica y una tasa de falla aceptable para el equipo
protegido.
o La configuracin de la subestacin.
o La distancia entre el pararrayos y el equipo a proteger.
11 Determinar los niveles de aislamiento estandarizados
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11. Determinar los niveles de aislamiento estandarizados.
12. En caso de que se desee que el nivel de aislamiento
estandarizado del equipo sea inferior que el obtenido, serecomienda considerar opciones tales como: la eleccin de un
voltaje de operacin continua menor, una tensin asignada
menor, una corriente nominal de descarga mayor y una clase de
descarga de lnea mayor que las originalmente obtenidas,sin perder de vista que una tensin asignada inferior puede
disminuir la confiabilidad del pararrayos. Otra opcin es reducir
la distancia entre el pararrayos y el equipo a proteger.
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Los puntos del 9 al 12 de este
procedimiento una parte delprocedimiento de coordinacin de
aislamiento.
Procedimiento recomendado para la seleccin del pararrayos.
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Proteccin contra sobretensiones temporales.
En la prctica los pararrayos no limitan sobretensiones
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En la prctica los pararrayos no limitan sobretensiones
temporales, por lo que no se consideran dentro de las
caractersticas de proteccin. Salvo casos especiales,como es el de sobretensiones temporales por
resonancia, que ameritan el uso de pararrayos para
limitar e incluso prevenir la sobretensin. Bajo estascircunstancias se debe tener cuidado con la capacidad
de absorcin de energa trmica para no sobrecargar
al descargador.
Proteccin contra sobretensiones de frente lento .
Esta consideracin es nicamente relevante en sistemas del Rango II
puesto que para sistemas de voltaje inferior el nivel de aislamiento del equipo
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p q p j q p
es lo suficientemente alto como para hacer innecesaria la proteccin contra
las sobretensiones de frente lento.
Los pararrayos de xido metlico sin explosores son apropiados para la
proteccin de sobretensiones de frente lento debidas a energizacin y
recierre de lneas o a la conmutacin de corrientes inductivas o capacitivas,
mas no as para las sobretensiones originadas por fallas o despeje de fallas atierra, debido a que stas tienen amplitudes inferiores al nivel de proteccin.
El pararrayos limita la sobretensin fase tierra a un valor de
aproximadamente el doble del valor eficaz de su tensinnominal.
Para la proteccin contra sobretensiones de frente
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lento, el conocer con exactitud la amplitud de la
corriente a travs del pararrayos no es de crucialimportancia debido a la extrema no linealidad de los
resistores de xido metlico.
Para sobretensiones debidas a energizacin o
recierre de lneas, se producen corrientes de
descarga de entre 0.5 kA a 2 kA de amplitud a travs
del pararrayos.
Otro factor que no tiene influencia en la proteccin contra estas
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Otro factor que no tiene influencia en la proteccin contra estas
sobretensiones es el frente escarpado en las ondas viajeras, lo
cual implica que la distancia de separacin entre el pararrayos ylos equipos dentro de la subestacin tampoco se tome en
cuenta. Por lo tanto, la tensin que aparece en los bornes del
equipo se considera igual a la tensin limitada en los bornes del
pararrayos, es decir, el valor asumido como mximo para lasobretensin representativa de frente lento, para un equipo
dentro de la subestacin, ser igual al nivel de proteccin a
impulsos de maniobra del pararrayos.
Para sobretensiones fase fase el valor de
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sobretensin representativo puede considerarse
mayor que el doble del nivel de proteccin, en el casode no tener pararrayos conectados entre fases.
El nivel de proteccin del pararrayos relacionado con
la amplitud de la sobretensin de frente lento servirpara definir el nivel de aislamiento. Esta relacin se
detallar en el proceso de coordinacin de aislamiento
a tratarse en el siguiente captulo.
Debido a la alta tasa de crecimiento de la pendiente del frente de onda de
estas sobretensiones, los efectos de propagacin de la onda entre el
3.1.3. Proteccin contra sobretensiones de frente
rpido.
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pararrayos y el equipo a proteger deben ser tomados en cuenta y la
distancia de separacin entre ellos juega ahora un papel importante. Como
regla general, ocurre que el voltaje en el equipo protegido es mayor que latensin residual del pararrayos. Es por esto que se recomienda
reducir al mnimo posible la distancia de separacin entre
el pararrayos y el equipo con mayor prioridad de proteccin, ms anen el caso de no tener instalados cables de guarda. Es posible proteger ams de un equipo con un mismo pararrayos siempre y cuando se limite la
pendiente de la sobretensin, ya que con esto se consigue tener corrientes
de descarga y tensiones residuales menores. Esta condicin se presenta al
tener un apantallamiento confiable tanto de la subestacin as como de laslneas asociadas a ella.
Se recomienda reducir al mnimo posible la distancia de separacin
entre el pararrayos y el equipo
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Las tensiones que entran a la subestacin
provenientes de lneas protegidas con cables de
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provenientes de lneas protegidas con cables de
guarda tienen amplitudes y pendientes de frente de
onda menores que aquellas que provienen de lneas
sin apantallamiento. Por esta razn en lneasapantalladas es factible tener mayores distancias
de separacin entre los pararrayos y elaislamiento a ser protegido, caso contrario esnecesario reducir al mximo tales distancias.
Para el caso de una nica lnea area protegida por cable de
guarda, un juego de pararrayos puede colocarse en un punto
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g , j g p y p p
que permita la proteccin de todos los equipos, dando
preferencia al transformador.
En caso de tener varias lneas areas no apantalladas entrando
a la subestacin, la amplitud y pendiente de las ondas de
sobretensin incidentes se disminuyen por efecto de divisin dela onda, no obstante su frecuencia de aparicin aumenta.
Para proveer una proteccin suplementaria, se puede instalar
pararrayos a las entradas de lnea.
Debido a que la distancia de separacin entre el
l i t d b id
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pararrayos y el equipo a proteger debe considerarse,
existe dos alternativas para la aplicacin del pararrayosen la proteccin del equipo contra sobretensiones de
frente rpido o tipo rayo, estas son:
a) Determinar la tensin soportada de coordinacin a
impulsos tipo rayo, teniendo como datos:
1. el nivel de proteccin y
2. la distancia de separacin del pararrayos.
b) Determinar la zona de proteccin del pararrayos es
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b) Determinar la zona de proteccin del pararrayos, es
decir, la mxima distancia de separacin para la cualse cumpla con los requerimientos de coordinacin de
aislamiento, teniendo como datos:
1. nivel de proteccin del pararrayos y
2. la tensin soportada de coordinacin, misma que se
obtiene al dividir el valor de placa del equipo para
1.15 (a nivel del mar).
Como la tensin soportada de coordinacin
forma parte del procedimiento para definir el
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forma parte del procedimiento para definir el
nivel de aislamiento de los equipos, esnecesario calcularla usando los criterios de la
opcin (a), partiendo del supuesto que la
distancia de separacin del pararrayos ha sidopreviamente definida. Esto se puede hacer en
base a subestaciones existentes que sirvan de
modelo.
Dentro de las caractersticas mecnicas del pararrayos se considera las
caractersticas del revestimiento, la resistencia mecnica y el comportamiento
3.2. Caractersticas mecnicas.
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ante sismos.
Revestimiento.
Es importante considerar el tipo y caractersticas del revestimiento del
pararrayos, ya que ste debe ser el adecuado para proteger a la columna de
resistores de xido metlico del ambiente exterior y para proveer una distancia
de fuga adecuada.
Con el fin de garantizar que el revestimiento cumpla con su funcin, de
acuerdo a las pruebas descritas en la Norma IEC 60099-4, este debe soportar
las tensiones mostradas en la Tabla siguiente.
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De la Tabla anterior se puede notar que
las tensiones de pr eba q e debe
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las tensiones de prueba que debe
soportar el revestimiento del pararrayosen sistemas del Rango II son superiores
en un porcentaje dado (25% o 30 %hasta 1000 msnm) a su respectivo nivel
de proteccin.
Estos porcentajes son los suficientes para garantizar
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Estos porcentajes son los suficientes para garantizar
que la descarga a tierra ocurra internamente a travs
del pararrayos sin que se forme una descarga por
aire o contorneo en el revestimiento. Bajo este
criterio se puede afirmar que las pastillas de xido de
zinc del pararrayos estn debidamente protegidas.
A su vez, si se compara las tensiones de prueba
resultantes a partir de la Tabla mostrada anterior
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p
con los niveles de aislamiento del resto de los
equipos de la subestacin, se observar que en
todos los casos, los valores de las tensiones
soportadas por el aislamiento delpararrayos, sern menores enaproximadamente un 25% a los niveles de
aislamiento del resto del equipo.
Esta diferencia se justifica debido a que el
revestimiento del pararrayos es el aislamiento
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revestimiento del pararrayos es el aislamiento
mejor protegido dentro de la subestacin, yaque sobre l no aparecern tensiones
superiores a la cada de tensin sobre las
resistencias de xido metlico durante ladescarga, es decir, el factor de distancia de
separacin no tiene influencia.
De aqu que, los valores calculados segn la Tabla
mostrada anterior son los suficientes para garantizar
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la no ocurrencia de un contorneo en el aislamiento del
descargador.
En caso de seleccionar tensiones soportadas
mayores, por ejemplo, tensiones soportadasiguales a las del resto del equipo se tendrnpararrayos con revestimientos innecesariamente
grandes y costosos.
Por esta razn el revestimiento del pararrayos
solo debe tener las dimensiones fsicas que
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q
impidan la descarga por aire o contorneo.
Sin embargo, de acuerdo al nivel de
contaminacin del sitio de instalacin delpararrayos sus dimensiones fsicas pueden
cambiar en funcin de la distancia de fuga
externa.
Comportamiento y Resistencia del Revestimiento a la
Contaminacin.-
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Un exceso de contaminacin sobre el revestimiento delpararrayos puede ocasionar:
1. descargas disruptivas entre sus terminales,
2. incremento de temperatura en las resistencias y3. disturbios en la distribucin de voltaje sobre el
revestimiento, esto a su vez, provoca descargas parciales
internas que pueden daar las resistencias u otros
elementos.
Por tanto es necesario
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seleccionar un pararrayos quesoporte el nivel de
contaminacin en el sitio deubicacin sin provocar los
efectos antes mencionados.
Debido a que el grado de contaminacin influye en la
aparicin de contorneos externos, influye tambin
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p , y
sobre la distancia de fuga externa del pararrayos, ypor lo tanto en sus dimensiones fsicas.
Por tanto, es necesario aumentar la distancia de
fuga ante la presencia de contaminacin debido a
que en estas condiciones se aumenta el riesgo de
contorneo.
De acuerdo a las normas IEC se han
establecido cuatro niveles cualitativos de
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establecido cuatro niveles cualitativos de
contaminacin.
La Tabla siguiente muestra una descripcin de
los entornos tpicos asociados a cada nivel depolucin y las distancias de fuga necesarias
para soportar la contaminacin en cada uno.
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En condiciones normales de funcionamiento serecomienda el uso de pararrayos que
t i l d t i i ti II
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soporten un nivel de contaminacin tipo II.
En ambientes con alto grado de contaminacin
en los que se requiera distancias de fugamayores a 31 mm/kVse deber acordar con el
fabricante la elaboracin del descargador
adecuado.
Bajo estas circunstancias, se
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debe tambin considerar elengrasar o lavar los
revestimientos del pararrayosperidicamente y bajo tensin.
Las normas IEC no han establecido an
procedimientos de prueba respecto de estas
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condiciones de operacin.
En general el aislamiento deber ser capaz de
soportar la tensin ms elevada del sistemaen forma continua bajo condiciones decontaminacin con baja probabilidad de
contorneos.
La distancia de fuga seleccionada
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para los pararrayos se aplicatambin para el resto del
equipamiento de la subestacin.
El pararrayos debe resistir los esfuerzos
mecnicos estticos y dinmicos especificados
Resistencia mecnica
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y p
por el fabricante.
La norma define el procedimiento de prueba
para esfuerzos dinmicos como es el casodel momento de flexin.
Los esfuerzos estticos por lo general no
causan mayor inconveniente a los
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pararrayos, y se pueden reducirsignificativamente con el uso de
conductores y abrazaderas livianas y de
menor seccin, esta opcin es vlida
debido a que el pararrayos no conduce
altas corrientes en forma continua.
Los esfuerzos dinmicos en pararrayos estn
representados por el momento de flexin, que
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es aquel que se produce en la base delpararrayos como resultado de la suma vectorial
de las cargas dinmicas que le afectan en
sentido perpendicular al eje, como por ejemplo,la carga del conductor de lnea, la carga delviento y el peso del pararrayos.
De estos, el momento ms significativo es el
causado por el viento, ya que los otros factores
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p , y q
son controlables.
La carga del conductor de lnea se evita al
tener el conductor de lnea conectado alpararrayos lo ms corto posible sin exceder el
momento de flexin definido por el fabricante.
En funcin de la Figura
mostrada y de la expresin,
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mostrada y de la expresin,
se puede calcular elmomento de flexin debido
al viento.
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Mw momento de flexin causado por el viento.
H longitud del pararrayos.
h grosor del anillo de distribucin de potencial.
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D dimetro del anillo de distribucin de potencial.I distancia entre el anillo de distribucin de potencial y
la parte superior.
C coeficiente de resistencia de las partes cilndricas.
Igual a 0.8.v velocidad del viento (m/s).
La Figura siguiente muestra la definicin de los esfuerzos
mecnicos, tanto para revestimientos de porcelana as
como de polmero, como porcentaje del mximo esfuerzo
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co o de po e o, co o po ce taje de o es ue o
dinmico admisible en servicio.
Se puede observar que los revestimientos de porcelanapermiten un esfuerzo esttico de tan slo el 40% de suesfuerzo dinmico, debido a la fragilidad de la porcelana.
Se tiene tambin un margen del 20% de seguridad respecto
del valor medio del esfuerzo de ruptura.
Los revestimientos de polmero, encomparacin con los de porcelana, sedeforman visiblemente bajo influencia de
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deforman visiblemente bajo influencia defuerzas mecnicas, de ah que un daomecnico visible o una deformacin
permanente pueden aparecer al someter alpararrayos de revestimiento polimrico a
esfuerzos mecnicos mayores al esfuerzo
mximo admisible de servicio.
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Comportamiento ante sismos.
Tanto en la seleccin del pararrayos, como del resto del equipo de la
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subestacin, se debe considerar el riesgo de sismos en la zona.
En caso de presentarse requerimientos ssmicos, el fabricante deber
realizar las pruebas pertinentes para garantizar que el equipo resista las
exigencias solicitadas.
Como resultado se puede tener mayores requerimientos mecnicos que los
seleccionados de acuerdo al tem anterior.
Comportamiento ante sismos.
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Cumplidos los requerimientos elctricos ymecnicos, la seleccin del pararrayos entre lasdiferentes posibles opciones, que proporcionan el
mismo grado de proteccin, depender de laimportancia del equipo a ser protegido y seseleccionar desde el punto de vista decoordinacin de aislamiento.
Pararrayos: Fabricante Tridelta
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Altura: 6.5mLnea de Fuga: 16700mm
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Pararrayos para Alta Tensin
(station class) con envolvente en
porcelana.
Pararrayos Distribution class, para
media tensin
Contadores de
descarga.
Pararrayos Alta Tensin. StationClass
Envolvente
polimrica en
diseo
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Envolvente
en porcelana.
800kV
tubular.500kV
Envolvente
polimrica
diseo
arrollado170kV
Empaque de los
Pararrayos.
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Discos de ZnO
Discos de ZnO en
Almacn.
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Fin parte 2
Gracias