guia de seleccion de descargadores

Instituto de Protecciones de Sistemas Elctricos de Potencia

Universidad Nacional de Ro Cuarto

1 I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Ro Cuarto, Crdoba, Arg. Tel./Fax: +54-358-4676171

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Gua de Seleccin de

Descargadores de

Sobretensin

Autor: Ing. Germn R. Zamanillo





NDICE:

Seccin 1: Generalidades. 1.1 Recomendaciones para la aplicacin y seleccin de descargadores Pg.9 1.2 Procedimiento general para la seleccin de descargadores Pg.9 1.3 Resistencia a la polucin de la envoltura del descargador Pg.10 2.1 Datos caractersticos de descargadores con explosores Pg.12 2.1.1 General Pg.12 2.1.2 Tensin nominal Pg.12 2.1.3 Niveles de proteccin Pg.12 2.1.4 Corriente de descarga nominal Pg.13 2.1.5 Clase de descarga de larga duracin Pg.13 2.1.6 Clase del limitador o alivio de presin Pg.13 2.1.7 Caractersticas de soportar contaminacin Pg.13 2.1.8 Caractersticas de lavado bajo tensin Pg.13 2.2 Seleccin de descargadores con explosores conectados entre fase y tierra Pg.13 2.2.1 Tensin nominal Pg.13 2.2.2 Corriente de descarga nominal Pg.15 2.2.2.1 Factores que influyen en las corrientes de descarga de rayo Pg.15 2.2.2.2 Seleccin de la corriente nominal de descarga Pg.16 2.2.3 Capacidad de descarga de larga duracin Pg.17 2.2.3.1 Descargadores de servicio intensivo Pg.17 2.2.3.2 Descargadores de 10 kA y 5 kA, de servicio no intensivo Pg.17 2.2.4 Clase de alivio de presin Pg.18 3.1 Datos caractersticos de los descargadores de xido metlico sin explosores Pg.18 3.1.1 General Pg.18 3.1.2 Tensin de operacin permanente Pg.18 3.1.3 Tensin nominal Pg.19 3.1.4 Corriente de descarga nominal Pg.19





3.1.5 Niveles de proteccin Pg.19 3.1.6 Clase descarga de lnea Pg.19 3.1.7 Clase de alivio de presin Pg.19 3.1.8 Caractersticas de soportar contaminacin Pg.19 3.1.9 Caractersticas de lavado bajo tensin Pg.20 3.2 Seleccin de descargadores de oxido metlico fase a tierra Pg.20 3.2.1 Tensin de operacin permanente Pg.20 3.2.2 Tensin nominal Pg.20 3.2.3 Corriente de descarga nominal y clase de descarga de lnea Pg.22 3.2.3.1 General Pg.22 3.2.3.2 Corriente de descarga nominal Pg.22 3.2.3.3 Capacidad de absorcin de energa Pg.23 3.2.4 Clase de alivio de presin Pg.24 Seccin 4: Aplicacin de descargadores Pg.25 4.1 Principio de la coordinacin de aislamiento Pg.25 4.2 Proteccin contra sobretensiones de frente lento Pg.25 4.3 Proteccin contra sobretensiones atmosfricas Pg.26 4.3.1 General Pg.27 4.3.2 Mtodo simplificado para la proteccin contra rayos Pg.29 4.3.2.2 Proteccin de las subestaciones con Aislamiento Pg.31 de gas (GIS) 4.3.2.3 Proteccin de los cables conectados a subestaciones Pg.32 4.3.2.4 Proteccin de cables Pg.33

5.1 Descargadores entre fases Pg.33 5.2 Descargadores para maquinas rotativas Pg.33 5.3 Otras aplicaciones especiales de los descargadores Pg.34

6.1 General Pg.35 6.1.1 Indicadores de falla Pg.35 6.1.2 Desconectores Pg.35 6.1.3 Contadores de ondas de impulso Pg.36





6.1.4 Monitoreo de explosores Pg.36 6.1.5 Mediciones de temperatura Pg.36 6.1.6 Mediciones de corriente de fuga de descargadores de oxido metlico Pg.36 6.1.6.1 Propiedades de las corrientes de fuga de las resistencias no lineales Pg.37 de oxido metlico 6.1.6.1.1 Corriente de fuga capacitiva Pg.38 6.1.6.1.2 Corriente de fuga resistiva Pg.38 6.1.6.1.3 Armnicos en la corriente de fuga Pg.40 6.1.6.1.4 Prdidas activas Pg.40 6.1.6.2 Corriente de fuga superficial Pg.41 6.2 Medicin de la corriente de fuga total Pg.41

Anexo A Pg.42 Determinacin de la sobretensin temporal debido a fallas a tierra A.1 Factor de falla a tierra Pg.42 A.2 Eficacia de la puesta a tierra del neutro en las redes areas de distribucin Pg.42 Anexo B Pg.46 Valores caractersticos de los descargadores de xido metlico B1 Valores p.u. y su relacin con las solicitaciones esperadas Pg.47 B.2 Valores caractersticos de los descargadores Pg.49 B.3 Capacidad de absorcin de energa Pg.51

AnexoC Pg.51 Gua para la conexin de descargadores en la proteccin de cables C.1 Introduccin Pg.51 C.1.1 Daos en los cables Pg.51 C.2 Sobretensiones por descargas de rayos y los efectos sobre los sistemas Pg.51 de cable C.2.1 Descargas de rayos en lneas areas de distribucin Pg.51 C.2.1.1 Descargas directas Pg.51 C.2.1.2 Tensiones resultantes debido al contorneo de lneas areas por Pg.52 descargas directas C.2.1.3 Descargas inducidas Pg.53 C.2.1.4 Discontinuidad de la impedancia caracterstica con descargador Pg.53





C.3. Operacin del descargador Pg.53 C.3.1 Tensin residual del descargador Pg.53 C3.2 Longitud de las conexiones Pg.53 C.4. Esquema de proteccin con descargadores en sistemas de cables Pg.54 C.4.1 Esquema con descargador en los terminales de entrada del cable Pg.54 C.4.2 Esquema de proteccin con descargadores en los terminales de entrada Pg.54 y finales del cable C.4.3 Esquema de proteccin con descargadores en los terminales de entrada, Pg.55 en puntos intermedios y al final del cable C.4.4 Esquema adicional de proteccin con descargadores Pg.56 C.5. Datos sobre descargas de rayos Pg.56 C.5.1 Impulsos mltiples de corriente Pg.56 C.5.2 Magnitudes de las descargas de corriente Pg.56 C.5.2.1 Caractersticas de la primera descarga del rayo Pg.56 C.5.2.2 Caractersticas de las descargas subsecuentes del rayo Pg.56 C.5.2.3 Caractersticas de las descargas de corriente de rayos sobre Pg.57 descargadores en medidas de campo realizadas en sistemas de potencia C.5.2.4 Implicacin para los estudios de coordinacin del aislamiento Pg.57 C.5.3 Pendiente de la descarga incidente Pg.57 C.5.4 Ondas bipolares Pg.57 C.6. Tensin transitoria aplicada al sistema de aislacin del cable Pg.57 C.6.1 Tensin transitoria total aplicada Pg.57 C.6.2 Tensin residual del descargador Pg.58 C.6.3 Cada de tensin en los conductores de conexin Pg.58 C.6.4 Componentes de la tensin transitoria impuesta a los terminales de Pg.59 entrada del cable C.6.5 Inductancia de los conductores Pg.59 C.6.6 Cada de tensin en los conductores Pg.59 C.7. Proteccin del final del cable Pg.59 C.7.1 Sin descargador al final del cable Pg.59 C.7.2 Con descargador al final del cable Pg.60





C.8. Margen de proteccin Pg.60 C.8.1. Descargadores solamente en la entrada del cable Pg.60 C.8.2 Descargadores en la entrada y al final del cable Pg.60 C.8.3 Descargadores en la entrada, en puntos intermedios y al final Pg.61 del cable

C.8.4 Margen de proteccin mnimo histrico Pg.61 C.9 Tcnica de instalacin y conexin de los descargadores Pg.61 C.10 Resumen de la proteccin de los terminales de cables conectados Pg.64 a lneas areas ANEXO D Pg.65 Informacin necesaria de conocer para la compra de descargadores D.1 Condiciones de servicio de descargadores con y sin explosores Pg.65 D.1.1 Condiciones normales de servicio Pg.65 D.1.2 Condiciones anormales de servicio Pg.66 D.2 Informacin tpica suministrada en las solicitudes y ofertas de descargadores Pg.66 con y sin explosores D.2.1 Informacin proporcionada en los pedidos de ofertas Pg.66 D.2.1.1 Datos del Sistema Pg.66 D.2.2 Condiciones de servicio Pg.67 D.2.3 Rol del descargador Pg.67 D.2.4 Caractersticas de los descargadores Pg.68 D.2.4.1 Con explosores Pg.68

D.2.4.2 Sin explosores Pg.68 D.2.5 Equipamiento adicional y accesorios para ambos tipos Pg.68 de descargadores D.2.6 Condiciones anormales particulares Pg.68 D.3 La informacin facilitada por el oferente con la licitacin Pg.68

Anexo E Pg.69 Comparaciones entre las normativas IEC e IEEE

E.1 Introduccin Pg.69 E.2 Clasificacin de los descargadores segn IEEE e IEC. Pg.69





Anexo F Pg.71 Parmetros para seleccionar los descargadores con y sin explosores en sistemas de distribucin F.1 Introduccin Pg.71 F.2 Eleccin de la tensin nominal de los descargadores Pg.71 F.2.1 Descargadores con explosores Pg.71 F.2.2 Descargadores sin explosores Pg.72 F.2.2.1 Determinacin de la mxima tensin de operacin permanente Uc Pg.72 del descargador, sin explosores F2.2.2 Duracin y magnitud de la sobretensin temporaria de frecuencia Pg.73 de red que soporta el descargador sin explosor F.3 Requerimientos energticos de los descargadores Pg.74

F.4 Corriente nominal de los descargadores Pg.74 F.5 Localizacin del descargador de sobretensin al final de una lnea Pg.75 F.5.1 Tierra nica entre la cuba del equipo protegido y los descargadores Pg.76 F.5.2 Tierras separadas entre la cuba del equipo y los descargadores Pg.77 F.6 Verificacin del margen de proteccin Pg.78 F.6.1 Tensin soportada por el equipamiento Pg.78 F.6.2 Tensin resistida por el equipamiento Pg.78 F.6.3 Margen de Proteccin Pg.79 F.7 Resumen para la seleccin de los descargadores de oxido metlico Pg.80 Anexo G EJEMPLOS DE SELECCIN DE DESCARGADORES DE OXIDO DE ZINC SIN EXPLOSORES, PARA LOS SISTEMAS ELCTRICOS DE DISTRIBUCIN DE: 10,5 kV; 13,8 kV; 24,9 kV; 34,5 kV; 69,0 kV Y 115 kV. SISTEMA DE TENSIN DE 13,8 KV, SUBESTACIONES PARA ELECTRIFICACIN Pg.81 RURAL Y URBANA: EJEMPLO DE CLCULO EN EL SISTEMA ELCTRICO GERMN BUSCH SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV, SUBESTACIONES PARA Pg.86 ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: EJEMPLO DE CLCULO EN EL SISTEMA ELCTRICO 05_VMA_SIE SISTEMA DE TENSIN DE 34,5 KV, SUBESTACIONES PARA Pg.89 ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: EJEMPLO DE CLCULO EN EL SISTEMA ELCTRICO GERMN BUSCH





SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV, TERMINALES DE CABLE TRIFSICO Pg.91 EN POSTE, CRUCES SUBTERRNEOS SISTEMA DE TENSIN DE 10,5 KV, TERMINALES DE CABLE Pg.94 TRIFSICO EN POSTE SISTEMA ELCTRICO DE 69 KV: 01_GUA-69. Pg.96 SISTEMA ELCTRICO DE 115 KV: ARBOLEDA. Pg.98 RESUMEN DE LA SELECCIN DE DESCARGADORES SIN EXPLOSORES Pg.99 PARA TODOS LOS NIVELES DE TENSIN DE LOS SISTEMAS ELCTRICOS CRE SISTEMA DE TENSIN DE 10,5 KV PARA ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: Pg.101 SISTEMA DE TENSIN DE 13,8 KV PARA ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: Pg.101 SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV PARA ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: Pg.102 SISTEMA DE TENSIN DE 34,5 KV PARA ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA Pg.102 SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV, TERMINALES DE CABLE TRIFSICO EN Pg.103 POSTE, PARA CRUCES SUBTERRNEOS SISTEMAS DE TENSIN DE 10,5 KV, TERMINALES DE CABLE TRIFSICO EN Pg.104 POSTE, LNEA AREA CABLE CON TERMINACIN EN SUBESTACIONES DE TRANSFORMACIN NO EXPUESTAS A DESCARGAS ATMOSFRICAS. SISTEMA ELCTRICO DE 69 KV: 01_GUA-69. Pg.104 SISTEMA ELCTRICO DE 115 KV: ARBOLEDA. Pg.104 Anexo H Pg.104

Bibliografa Pg.104





Gua de seleccin de descargadores de Sobretensin

Seccin 1: Generalidades. 1.1 Recomendaciones para la aplicacin y seleccin de descargadores En los sistemas de redes de la gama I (por encima de 1 kV hasta 245 kV) que contiene lneas areas o mixtas, los principales riesgos para el equipamiento surgen de las descargas de rayos inducidas y directas sobre las lneas. En los sistemas de redes de cables no conectados a lneas areas, las sobretensiones ms susceptibles de producirse son ocasionadas por las fallas u operaciones de maniobras; pudiendo en casos particulares tambin presentarse sobretensiones originadas por rayos. En los sistemas de la gama II (mayores a 245 kV), adems de los factores de la gama I, las sobretensiones de maniobra son ms importantes, incrementndose con mayores tensiones del sistema. Las sobretensiones pueden causar contorneo y graves daos a los equipos y, por ende, poner en peligro el suministro de energa a los usuarios. Es fundamental para prevenir esto, una adecuada coordinacin de los descargadores con la aislacin. Es por lo tanto recomendado usar descargadores, si hay posibilidad de sobretensiones atmosfricas o fuertes sobretensiones de maniobra, que pueden resultar peligrosas para el equipamiento. Estos descargadores deben constituir una parte altamente confiable del sistema. Ellos estn diseados para soportar las tensiones y las corrientes resultantes a travs de ellos, con suficiente confiabilidad teniendo en cuenta la contaminacin y otros problemas relativos a su emplazamiento. En cada uno de tales sistemas, las tensiones solicitantes son (vase IEC 60071-1):

- Tensin de operacin; - Sobretensiones temporales; - Sobretensiones de frente lento; - Sobretensiones de frente rpido;

Donde las tensiones de frente lento, debido a maniobras, son de particular importancia para los descargadores en la proteccin de equipamiento de la gama II. Como principio general, una buena proteccin de los equipos y el empleo de descargadores de tensin nominal elevada, son exigencias contradictorias. As, la seleccin de un adecuado descargador constituye una optimizacin del proceso, que tiene que examinar un gran nmero de parmetros, tanto del sistema como de los equipos. Los descargadores de oxido metlico sin explosores, se adaptan particularmente bien para los sistemas de neutro a tierra, porque ofrecen una mejor proteccin contra sobretensiones de frente lento, siendo por ello ampliamente difundidos en tales sistemas. En algunos sistemas de neutro aislado o conectados a tierra por medio de bobinas de compensacin, donde las sobretensiones temporales por fallas a tierra pueden tener larga duracin, los descargadores con explosores pueden ofrecer ventajas, si los niveles de proteccin que son requeridos deben ser bajos. Si bien es el descargador tradicionalmente utilizado en todas las gamas de tensin, la utilizacin de descargadores con explosores puede ser adecuada para los sistemas de la gama I, especialmente en el rango de menor tensin. 1.2 Procedimiento general para la seleccin de descargadores Para la seleccin de descargadores, se recomienda el siguiente procedimiento iterativo, que tambin se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 1:

- Determinar la tensin de rgimen permanente del descargador, en base a la tensin de servicio ms alta del sistema;





- Determinar la tensin nominal del descargador con respecto a las sobretensiones temporales;

- Estimar la amplitud y la probabilidad de la corriente de descarga de rayos, esperada a travs del descargador, determinar los requerimientos de descarga de lnea de transmisin y seleccionar la corriente de descarga nominal, el valor de corriente de impulso de gran amplitud y la clase de descarga de lnea del descargador;

NOTA: Si son necesarios valores de corrientes de impulso de gran amplitud, diferentes de los valores normalizados (vase IEC 60099-4, nota del cuadro 6), estos valores sern seleccionados de acuerdo a la corriente de descarga del rayo.

- Seleccionar la clase del limitador de presin, con respecto a la corriente de falla esperada de frecuencia de red;

- Seleccionar un descargador que cumpla el requisito anterior; - Determinar las caractersticas de proteccin a impulsos de rayos y a maniobras del

descargador; - Localizar el descargador lo ms cerca posible de los equipos que se deben proteger; - Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulsos de maniobra del equipo

protegido, teniendo en cuenta las sobretensiones representativas de frente lento y la configuracin del sistema;

- Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulsos de rayos, considerando:

La sobretensin de rayo representativa incidente, segn lo determine el desempeo de la lnea area conectada al descargador y la tasa de falla aceptable del equipamiento protegido;

La configuracin de la subestacin; La distancia entre el descargador y el equipamiento protegido;

- Determinar el nivel de aislamiento nominal de los equipos de la norma IEC 60071-1;

- Si se desea que el nivel de aislamiento nominal del equipamiento sea menor (BIL o

nivel bsico de aislacin a impulso de tensin atmosfrico), entonces es recomendable estudiar soluciones, tales como la eleccin de una tensin de operacin permanente menor, una tensin nominal menor, una corriente de descarga nominal mayor, una clase de descarga de lnea mayor, un diseo de descargador diferente o una reduccin de la distancia entre el descargador y el equipo protegido.

NOTA: Una tensin de operacin continua o de servicio permanente menor o una tensin nominal menor, pueden disminuir la confiabilidad en servicio de los descargadores. Los detalles de este procedimiento iterativo se explican en las secciones 2, 3 y 4 de este documento.

1.3 Resistencia a la polucin de la envoltura del descargador Los depsitos de polucin sobre la envoltura del descargador, pueden causar su cebado, el incremento de temperatura de los dispositivos de reparticin de tensin de los descargadores que tienen explosores, y el fuerte aumento de temperatura de los varistores de los descargadores de oxido metlico. Para evitar fallas de los descargadores en zonas contaminadas, se debe seleccionar los descargadores capaces de soportar las condiciones de polucin locales. Aunque no est explcitamente especificado en la norma IEC 60099-1 y IEC 60099-4, los descargadores utilizados en condiciones normales de operacin deben soportar la contaminacin media de acuerdo con el nivel de polucin II de la IEC 60071-2. Si el rea de instalacin del descargador est sujeta a un mayor grado de contaminacin, puede producirse una disminucin en la eficacia del descargador. Si se utilizan descargadores de inadecuada concepcin en las zonas fuertemente contaminadas (nivel de polucin III) o muy fuertemente contaminadas (nivel de polucin IV), pueden prevenirse eficazmente los efectos mencionados anteriormente por medio





del lavado o engrasado peridico. Cuando se realiza el lavado bajo tensin, se requieren descargadores diseados especialmente para dicho servicio.

Figura 1 Diagrama de flujo para la seleccin de descargadores

Seccin 2: Descargadores con explosores tipo resistencia no lineal.





Segn IEC 60099-1

2.1 Datos caractersticos de descargadores con explosores 2.1.1 General Las caractersticas bsicas de los descargadores con explosores en serie, son: su tensin nominal, sus tensiones de cebado, sus corrientes de descarga nominal y sus tensiones residuales a estas corrientes. La proteccin est caracterizada por las tensiones de cebado: para frente de onda, impulso de rayo e impulsos de maniobra (cuando es aplicable), siendo tambin caracterizada por las tensiones residuales a corriente de descarga nominal y a corrientes de impulso de maniobra (cuando es aplicable). Para una tensin nominal dada, existen diferentes tipos de descargadores y por lo tanto diferentes niveles de proteccin. Las caractersticas adicionales de los descargadores a ser consideradas son: la tensin de operacin continua, la clase de descarga de larga duracin, la clase del alivio o del limitador de presin, la capacidad de soportar polucin, la aptitud al lavado bajo tensin y las propiedades mecnicas especiales. 2.1.2 Tensin nominal Es el valor mximo admisible de la tensin eficaz a frecuencia industrial, entre los bornes del descargador, para la cual est diseado, para operar correctamente en las condiciones de ensayo de funcionamiento. La tensin nominal se utiliza como parmetro de referencia, para la especificacin de las caractersticas de funcionamiento. NOTA: Algunos tipos de descargadores que se utilizan en la gama II, estn diseados para descebar a una tensin de frecuencia de red mayor que la tensin nominal. Esta tensin es generalmente llamada "tensin de interrupcin a sobretensin temporal". Desde IEC 60099 -1 no se especifican las pruebas para garantizar el correcto funcionamiento de tales descargadores, por ello los detalles de ensayos y de aplicacin, debern ser acordadas entre fabricante y usuario. En algunos casos, por ejemplo en los ensayos de contaminacin segn IEC 60099-3, el valor mximo r.m.s. a frecuencia de red, que puede aplicarse continuamente entre los terminales del descargador debe ser conocido. Para descargadores que se utilizan en la gama I segn IEC 60071-1, esta tensin puede ser igual a la tensin nominal del descargador; en cambio para aplicaciones en la gama II, es por lo general ms bajo. Como la IEC 60099-1 no especifica las pruebas para asegurar esta tensin, el valor aplicable se debe obtener del fabricante. 2.1.3 Niveles de proteccin El nivel de proteccin a impulso de rayos, de un descargador, es el mximo de los siguientes valores:

- La tensin de cebado a impulso de rayo, normalizada;

- La tensin residual a descarga nominal. NOTA: Al considerar la proteccin de los equipos a sobretensiones de frente rpido, se asume que el esfuerzo soportado por las aislaciones de los transformadores en bao de aceite, es al menos un 15% mayor que la tensin soportada a impulso de rayos con onda plena para las sobretensiones de duracin menores a 3 s. Por lo tanto, las tensiones mximas especificadas en la tabla 8 de la IEC 600099-1, para el cebado de frente de onda son un 15% mayor que las de las descargas de rayo normalizadas. Otros tipos de aislamientos como el de transformadores de medida, cables o subestaciones con aislamiento de gas (GIS), pueden tener caractersticas de tensin resistida diferentes y la tensin de cebado de frente de onda puede necesitar de consideracin especial. El nivel de proteccin a impulso de maniobra, es aplicable a la proteccin de equipos para sobretensiones de frente lento. Es la mxima tensin de cebado a impulso de maniobra y la tensin residual a impulso de maniobra.





NOTA: Cuando la caracterstica de cebado a impulso de maniobra de un tipo de descargador no es conocida, se obtiene slo informacin aproximada acerca de sta, a partir de la tensin de cebado a frecuencia de red. 2.1.4 Corriente de descarga nominal Es el valor de cresta de la corriente de descarga de forma de onda 8/20, utilizada para clasificar un descargador. Es tambin la corriente de descarga que se utiliza para cebar la corriente subsiguiente de frecuencia de red, en el ensayo de funcionamiento y para definir el nivel de proteccin de los descargadores para las sobretensiones de rayos. 2.1.5 Clase de descarga de larga duracin Es el nmero relacionado a la capacidad de absorcin de energa de un descargador, durante la descarga de lneas de gran longitud. El aumento del nmero de clase (vase la tabla 5 de la IEC 60099-1), corresponde al incremento de la tensin del sistema y de la longitud de lnea, con el decrecimiento de la impedancia de onda y de los factores de sobretensin. 2.1.6 Clase del limitador o alivio de presin. Es el nmero relacionado a la capacidad de un descargador de resistir los efectos de corrientes de fallas internas, superando la avera sin explosin violenta del cuerpo. Se hace referencia a la clusula 8.7 de la IEC 60099-1. 2.1.7 Caractersticas de soportar contaminacin Para los descargadores destinados a ser utilizados en zonas de polucin III y IV segn IEC 60071-2, es necesario realizar el ensayo de contaminacin, segn IEC 60099-3. Estos ensayos permiten obtener la informacin sobre la caracterstica de cebado. La caracterstica de contorneo de la envoltura puede ser verificada de acuerdo con la IEC 60507. 2.1.8 Caractersticas de lavado bajo tensin Para el lavado bajo tensin, puede necesitarse una concepcin especial de descargador, debiendo definir un ensayo. En el diseo de los equipos de lavado, se debe tener cuidado con los siguientes puntos:

- Se debe utilizar agua con una resistividad adecuada;

- La presin y la configuracin de los pulverizadores debe ser tal, que la totalidad del descargador, en toda su longitud y circunferencia, sea rociado lo mas uniformemente posible en un mismo momento. Por esta razn, es necesario considerar el lmite admisible para la velocidad del viento.

2.2 Seleccin de descargadores con explosores conectados entre fase y tierra 2.2.1 Tensin nominal Es una prctica corriente para seleccionar un descargador, el de considerar que ste debe soportar los esfuerzos de las sobretensiones temporales resultantes de una falla a tierra de una de las fases; produciendo un aumento de la tensin sobre las fases sanas, al tiempo que opera un descargador de estas fases. Se deben considerar otras causas de sobretensiones temporales y la tensin nominal del descargador debe elegirse sobre la base de la mayor de estas condiciones de sobretensin. En algunos casos, puede ser necesario considerar la posibilidad de sobretensiones temporales derivadas de la simultnea ocurrencia de los distintos fenmenos como la repentina prdida de carga junto con una falla a tierra, teniendo en cuenta su probabilidad de ocurrencia. Las siguientes causas de sobretensiones temporales debern siempre tenerse en cuenta: - Fallas a tierra: Estas sobretensiones se producen en gran parte de los sistemas. Una gua para la determinacin de las amplitudes de las sobretensiones temporales se encuentra en el anexo A. La duracin de la sobretensin corresponde a la duracin de la falla (hasta la limpieza o eliminacin de la misma). En sistemas de neutro a tierra, es en general menor a 1s. En los sistemas con neutro conectado por medio de bobina de compensacin resonante, el tiempo de





eliminacin de la falla es en general menor de 10 s. En los sistemas sin conexin a tierra, la duracin puede ser de varias horas. - Rechazo de carga o prdida de carga: Despus de la desconexin de las cargas, la tensin del lado de la fuente del interruptor aumenta. La amplitud de la sobretensin depende de las caractersticas de la carga desconectada y de la potencia de cortocircuito de la subestacin de alimentacin. Las amplitudes de las sobretensiones temporales son particularmente elevadas despus del rechazo total de plena carga al nivel de los generadores, dependiendo de la magnetizacin y de la condicin de sobrevelocidad de la maquina. La amplitud de la sobretensin por perdida de carga no suele ser constante a lo largo de su duracin. En el caso de clculos precisos, deben tenerse en cuenta varios parmetros. Los valores tpicos siguientes pueden servir de indicacin:

- En los sistemas de redes de extensin moderada o poco extendidos, una prdida de

plena carga puede dar lugar a sobretensiones de fase a tierra con amplitud por lo general por debajo de 1,2 p.u. La duracin de la sobretensin depende del funcionamiento del equipo de regulacin de tensin y puede ser de hasta varios minutos.

- En los sistemas extendidos, despus de una prdida de plena carga, las

sobretensiones fase a tierra puede llegar a 1,5 p.u. o incluso ms cuando se presentan efectos Ferranti o de resonancia. Su duracin puede ser del orden de algunos segundos.

- Para la perdida de carga a nivel de los generadores, las sobretensiones temporales pueden llegar a amplitudes de hasta 1,4 p.u. para generadores turbodiesel y de hasta 1,5 p.u. para generadores de energa hidroelctrica. La duracin es de aproximadamente 3 s.

Cuando se conoce la evolucin de la amplitud en funcin del tiempo, la sobretensin puede ser adecuadamente representada por la amplitud mxima con una duracin igual al tiempo en que la amplitud es superior al 90% de este valor. En algunos sistemas, deben considerarse las siguientes causas de sobretensin temporal:

- Efectos de resonancia, por ejemplo cuando se conectan largas lneas en vaco;

- Elevacin de tensin a lo largo de lneas de gran longitud (efecto Ferranti);

- Sobretensiones armnicas, por ejemplo durante las maniobras de transformadores;

- En el caso de una subestacin de transformacin con dos transformadores con barras secundarias en comn, durante la eliminacin de defectos; o maniobras monofsicas de un transformador trifsico con carga desequilibrada en el secundario.

Las sobretensiones temporales debido a ferroresonancia no deben constituir la base para la seleccin de los descargadores, sino que se debe evitar la aparicin de estas sobretensiones en el sistema. La combinacin de causas, tales como las fallas a tierra y prdidas de carga pueden conducir a sobretensiones temporales ms elevadas que aquellas de evento simple. Cuando tales combinaciones se consideran lo suficientemente probables, los factores de sobretensiones para cada causa deben ser combinados, teniendo en cuenta la configuracin del sistema existente. NOTA 1: La seleccin de la tensin nominal del descargador, correspondiente a la mayor sobretensin temporal del sistema, se basa en el supuesto de que la mayor tensin del sistema no es excedida bajo condiciones de explotacin





normal. Si las tensiones anormales son probables que se produzcan en el sistema, aumentando la probabilidad de funcionamiento de los descargadores bajo estas condiciones, puede ser necesario utilizar un descargador de tensin nominal superior a la recomendada anteriormente, en funcin de las condiciones particulares. NOTA 2: El empleo de descargadores en sistemas de frecuencias distintas de 50 Hz o 60 Hz puede requerir una atencin particular en la fabricacin o la aplicacin y debera ser un tema de discusin entre el fabricante y el usuario. Los descargadores para sistemas de neutro aislado o resonante, sin dispositivo de eliminacin automtica de fallas a tierra, deben ser capaces de soportar la tensin nominal del sistema continuamente, debido a la posible larga duracin de la sobretensin temporal. Los descargadores para sistemas con equipamiento automticos de eliminacin de fallas a tierra, solamente deben soportar la permanencia de la tensin mxima fase a tierra del sistema. Esta reduccin de valor se puede obtener del fabricante. 2.2.2 Corriente de descarga nominal 2.2.2.1 Factores que influyen en las corrientes de descarga de rayo Como norma general, las corrientes de los descargadores debidas a las descargas de rayos, son menores que la corriente del rayo. En el caso de impactos directos a las lneas, las ondas viajeras se propagan en direcciones opuestas desde el punto de impacto. El contorneo del aislamiento de la lnea proporciona un camino paralelo a tierra, que desva una parte de la corriente de impacto. En el caso de los impactos en ms de un conductor, o contorneo entre conductores, dos o ms descargadores pueden operar y dividir la corriente. Slo en el caso de un impacto muy cerca del terminal del descargador, donde no existe contorneo por la operacin del descargador, el descargador debe conducir la mayor corriente de impacto del rayo. La probabilidad de que ocurra tal suceso puede ser reducida significativamente por una adecuada proteccin. La informacin relativa a los parmetros del rayo, puede obtenerse de datos estadsticos generales o locales. La relacin entre las corrientes de descarga de rayo y las corrientes de descarga de descargadores, puede ser obtenida a partir de simulaciones numricas de propagacin de ondas. Las lneas areas pueden ser protegidas contra descargas de rayos directos a los conductores por el uso de conductores de blindaje (hilos de guarda), los cuales estn en condiciones de interceptar las descargas de rayos y dirigir la corriente del rayo directamente a tierra por las torres metlicas, estructuras o postes. Donde se emplean estructuras de postes de madera, se adicionan conductores de baja impedancia para conectar los hilos de guarda a la puesta a tierra. Casi todas las descargas directas a los conductores de lnea son eliminadas por el uso de blindaje con hilos de guarda. Cuando una descarga directa ocurre (falla de blindaje), es casi seguro que hay flameo de la lnea en la gama I (por encima de 1 kV hasta 245 kV). El nmero de fallas del blindaje, as como su gravedad puede ser controlado por el nmero y la ubicacin de los hilos de guarda. La impedancia del camino de la corriente, incluyendo la impedancia de onda de la puesta a tierra, resulta en una tensin sobre el extremo del soporte de lnea. Una parte de esta tensin es aplicada a los conductores de fase. La aislacin de la lnea es sometida a una tensin igual a la diferencia entre el potencial del conductor de fase y el potencial del extremo del soporte y puede resultar en un flameo o cebado. Este tipo de flameo es llamado descarga inversa o cebado de retorno (back-flashover). La tasa de incidencia de la descarga inversa es controlada por la seleccin de un apropiado nivel de aislamiento, por el mantenimiento de la resistencia a tierra de la estructura a un valor bajo aceptable, por disponer de una distancia suficiente entre los conductores y la estructura, entre los conductores y el hilo de guarda y entre conductores, como as tambin en la optimizacin de la geometra de la torre.





Procedimientos anlogos a los utilizados para el blindaje de las lneas tambin se pueden utilizar para proteger a las estaciones. Los mtodos de blindaje incluyen el uso de hilos de guarda, mstiles metlicos y varillas soportadas desde la estructura de la estacin. Estos mtodos pueden ser usados en forma combinada. Las instalaciones no protegidas contra descargas directas de rayo, por ejemplo, en el caso de transformadores de distribucin, o en empalmes de lneas con cables, en las lneas de poste de madera, etc., tanto el aislamiento como el descargador, pueden estar sujetos a estas descargas, producindose corrientes de descargas extremadamente altas. En general, la corriente de rayo y la corriente de descarga representativa, deben estar basadas en la probabilidad de ocurrencia. El propsito de proteger la estacin, es la de reducir el riesgo de falla de la aislacin a un nivel aceptable. En ciertas aplicaciones, esto puede ser alcanzado con el solo blindaje de la estacin. En otros casos, puede ser necesario proteger a todas las lneas entrantes a la estacin. El blindaje de las lneas a una distancia relativamente corta de la estacin, ofrece los mismos beneficios para la proteccin de la estacin como una lnea totalmente protegida. Con un adecuado diseo del blindaje, del aislamiento, y del sistema de puesta a tierra, la probabilidad de impactos directos a los conductores de fase, es reducida a niveles bajos y las tensiones a travs del aislamiento durante los eventos de las descargas de los sistemas protegidos son reducidas por debajo de los niveles de descarga inversa. Como resultado, las corrientes de descarga de los descargadores son reducidas, permitiendo que el descargador provea la mejor proteccin para el aislamiento del equipamiento y reduciendo el esfuerzo del descargador. 2.2.2.2 Seleccin de la corriente nominal de descarga Como norma general, la corriente de descarga nominal de un descargador es seleccionada despus de considerar:

- La importancia y el grado de proteccin deseado. Determinando los niveles de proteccin en base a los mayores valores de amplitud de corriente y considerando el incremento de la confiabilidad de la proteccin;

- El nmero de lneas conectadas durante la operacin del descargador. Debido a las

reflexiones de ondas, la corriente de descarga del descargador es afectada por la impedancia de onda de las lneas y cables conectados en paralelo.

- El aislamiento de la lnea. Cuando el aislamiento de la lnea es aumentado fuertemente

(por ejemplo: postes de madera enteramente aislados), las corrientes de descarga de rayo son potencialmente mas elevadas, a menos que el impacto de rayo caiga tan cerca del descargador que la impedancia y el aislamiento de la lnea no puedan influir sobre la onda. Cuando el descargador es usado en la estacin con postes de madera sin colocar a tierra el herraje o el soporte de los aisladores, es conveniente que al menos un poste, preferiblemente el ltimo de la lnea, debe tener a tierra el herraje o los soportes de los aisladores, con baja impedancia de tierra. En el caso de alta impedancia de tierra, deberan ser aterrados varios postes con una distancia de cerca de cinco vanos desde la estacin;

- La probabilidad de aparicin de corrientes de rayos de valores elevados. La magnitud

de las corrientes de rayo vara sobre un amplio rango de valores. Lneas reas que se encuentran en zonas de alta densidad de descargas a tierra tienen una mayor probabilidad de ser impactadas por rayos con magnitudes de corriente elevadas;

- Las caractersticas de las lneas y de los fenmenos de las descargas. Las corrientes y

pendientes de las descargas de rayo son funciones de la tasa de descarga inversa y las tasas de falla del blindaje de las lneas (o de la tasa de cebado de las lneas desprotegidas) que estn dentro de una distancia limitada de la estacin. Las tasas de falla mayor (menor) incrementan (decrementan) las probables corrientes de descarga de rayo y las pendientes de la descarga.





Para corrientes de descarga nominal de acuerdo a la norma IEC 60099-1, la experiencia indica que se logra un grado satisfactorio de proteccin si se cumplen las siguientes recomendaciones: Gama I (por encima de 1 kV, a 245 kV): 5 kA o 10 kA En los sistemas de gama I de IEC 60071-1, donde las distancias entre descargadores son pequeas (menos de 5 kilmetros), los descargadores para los transformadores de distribucin con una corriente nominal de descarga de 5 kA han demostrado ser lo suficientemente fiables, an cuando los transformadores estn conectados a lneas con postes de madera con las crucetas no colocadas a tierra. En los sistemas con tensin de 72,5 kV y menores, los descargadores con una corriente nominal de 5 kA pueden ser suficientes para reas con baja densidad de descarga a tierra y efectivo blindaje en las lneas areas entrantes con impedancias bajas de pie de torre. Los descargadores con corriente nominal de 10 kA pueden ser preferibles para instalaciones importantes (necesidad de la mejor proteccin), particularmente en reas con alta densidad de descarga a tierra o alta resistencias de tierra. En los sistemas con tensiones ms altas de 72,5 kV, son generalmente recomendables los descargadores de 10 kA. Gama II: (por encima de 245 kV): 10 kA o 20 kA Para sistemas con tensiones de hasta 420 kV y menores, es generalmente suficiente contar con descargadores con una corriente de descarga nominal de 10 kA. Para sistemas con tensiones por encima de 420 kV, pueden ser requeridos descargadores de 20 kA. 2.2.3 Capacidad de descarga de larga duracin. En las instalaciones en donde estn conectadas grandes longitudes de lneas o cables, o grandes bancos de capacitores, el descargador debe ser capaz de soportar corrientes y energas de descargas debido a las sobretensiones de maniobra. Las normas especifican descargadores de 10 kA de servicio intensivo para varios rangos de tensiones de sistemas (ver 8.5.3 de la IEC 60099-1), que representan la disipacin de energa tpica a travs de los descargadores de los sistemas en cuestin. Los descargadores de servicio intensivo se utilizan para los equipos de la gama II. Para equipos de la gama I, los descargadores de servicio intensivo se utilizan solamente en estaciones de transformacin importantes, donde se requieren niveles de proteccin bajos o al poseer lneas areas largas, cables o bancos de capacitores conectados a las barras. Para otros casos, por ejemplo cuando las lneas entrantes son relativamente cortas (menores de 100 km), generalmente se utilizan descargadores de 10 kA servicio no intensivo o liviano o los de 5 kA. 2.2.3.1 Descargadores de servicio intensivo Los requisitos de ensayo que figuran en el tabla 5 de la IEC 60099-1 son determinados o se basan en el servicio involucrado en la descarga de lneas de transmisin y en el uso de un descargador con tensin nominal igual a 1,4 veces la mayor tensin fase a tierra. Normalmente, la clase de descarga de larga duracin se basa en la tensin del sistema correspondiente, ver tabla 1. Sin embargo, cuando varan apreciablemente las caractersticas de las lneas de la tabla 1, la energa disipada en el descargador durante la condicin de servicio, puede ser comparada con la correspondiente del ensayo de la tabla 1. En tal caso, se recomienda el estudio de las circunstancias particulares.





Tabla 1 - Relacin entre la clase de descarga de lnea y las caractersticas de las lneas de transmisin (ver tabla C.1 de la IEC 60099-1) 2.2.3.2 Descargadores de 10 kA y 5 kA, de servicio no intensivo Para descargadores de 10 kA servicio liviano o no intensivo y de 5 kA, no se hace ninguna diferenciacin de las tensiones del sistema, solamente se especifica una prueba de corriente con forma de onda rectangular. 2.2.4 Clase de alivio de presin En caso de falla interna de un descargador, la falla de corriente a travs del descargador no debe causar destruccin violenta de la envoltura. Por lo tanto, la corriente de falla soportada por descargador debe ser igual o mayor que la corriente de falla mxima que lo atraviesa en el punto de instalacin del descargador. Si se requieren valores ms altos de los que aparecen en el tabla 7 de IEC 60099-1, el usuario debe consultar al fabricante. Seccin 3: Descargadores de xido metlico sin explosores segn IEC 60099-4 3.1 Datos caractersticos de los descargadores de xido metlico sin explosores 3.1.1 General Las caractersticas bsicas de los descargadores de xido metlico, son: la tensin de operacin permanente, la tensin nominal, la corriente nominal de descarga y la tensin residual a la corriente nominal, la corriente de impulso a sobretensiones de maniobra y la corriente de frente rpido. Para cada tensin de operacin permanente y tensin nominal dadas, existen diferentes tipos de descargadores, y por tanto diferentes niveles de proteccin. Las otras caractersticas, que deben tenerse en cuenta en cada aplicacin particular son la clase de descarga de lnea, la clase del limitador de presin, la capacidad de soportar contaminacin, la capacidad de lavado bajo tensin y las propiedades mecnicas especiales. 3.1.2 Tensin de operacin permanente La tensin de operacin permanente, es el mximo valor admisible de tensin sinusoidal, de frecuencia de red, que puede ser aplicada continuamente entre los terminales del descargador. La tensin de operacin permanente del descargador completo puede ser menor que la tensin utilizada en los ensayos de funcionamiento, para el procedimiento de envejecimiento y para la verificacin de la estabilidad trmica. La menor tensin de operacin permanente puede deberse a la caracterstica del cuerpo del descargador de soportar contaminacin o a la distribucin no lineal de tensin a lo largo de la columna de varistores, causada esta ltima por la menor eficacia de los dispositivos de fijacin de potenciales intermedios, debida a los efectos de la proximidad de otros objetos.

Clase de descarga de

larga duracin

Gama aproximada de tensiones de

redes ms elevadas

kV

Longitud aproximada de la

lnea

Km.

Valor aproximado de la impedancia caracterstica de

la lnea

Factor de Sobretensin aproximado

(p.u.)*

1 2 3 4 5

Hasta 245 Hasta 300 Hasta 420 Hasta 525 Hasta 765

300300 360 420 480

450400 350 325 300

3,0 2,6 2,6 2,4 2,2

*La base para los valores p.u. es el valor pico de la mayor tensin del sistema fase a tierra.





3.1.3 Tensin nominal La tensin nominal es la mxima tensin de frecuencia de red que es aplicada en el ensayo de funcionamiento durante 10 s (vase el artculo 2.8 de la IEC 60099-4). Es adems el parmetro de referencia para establecer la tensin de frecuencia de red en funcin de la caracterstica de tiempo del descargador, y tambin usado para definir los requerimientos de las pruebas para el ensayo de descarga de lnea. 3.1.4 Corriente de descarga nominal La corriente de descarga nominal es utilizada para clasificar el descargador. Es el parmetro principal para las caractersticas de proteccin y para la capacidad de absorcin de energa del descargador. 3.1.5 Niveles de proteccin El nivel de proteccin a impulsos atmosfricos de un descargador, es la mxima tensin residual, a la corriente de descarga nominal. Esto es aplicable a la proteccin de los equipos por sobretensiones de frente rpido. El nivel de proteccin a impulsos de maniobra es la mxima tensin residual a una corriente especificada de impulso de maniobra. Esto es aplicable a la proteccin de equipos para sobretensiones de frente lento. En lo que concierne a la eficacia de proteccin de los descargadores de oxido metlico contra las sobretensiones de frente rpido, es necesario conocer el tiempo de retardo en los mecanismo de conduccin de los varistores por lo que ellos son ensayados a impulsos de corriente de frente abrupto. 3.1.6 Clase descarga de lnea Se define por medio de un nmero, y est relacionada con la capacidad de absorcin de energa de los descargadores de 10 kA y 20 kA para la descarga de lneas largas. Existen en el tabla 4 de la IEC 60099-4, cinco clases de acuerdo a esta norma, con un incremento del nmero que indica el aumento de la capacidad de absorcin de energa. Para descargadores con clase de descarga de lnea 2 y mayores, la corriente de descarga resultante es utilizada en los ensayos de funcionamiento para verificar la estabilidad trmica despus de la absorcin de energa. Los eventos del sistema que causan corrientes en los descargadores que tienen formas de ondas diferentes, se pueden evaluar por la comparacin con la energa y la corriente de una descarga de lnea equivalente. 3.1.7 Clase de alivio de presin Est dad por un nmero, relacionado a la capacidad del descargador de soportar fallas de corriente internas sin destruccin violenta del cuerpo. (Se hace referencia a la clusula 5.11 de IEC 60099-4 y la clusula 8.7 de la IEC 60099-1.) 3.1.8 Caractersticas de soportar contaminacin La capacidad de resistir la contaminacin de los descargadores se refiere a tres aspectos: a) el cuerpo del descargador tiene que soportar el estrs de contaminacin sin contorneo. Esto puede ser verificado conforme a IEC 60507 o est garantizado por diseo de acuerdo a IEC 60815; b) el descargador tiene que soportar el posible aumento de temperatura debido a los cambios en la distribucin de tensin causada por la actividad de contaminacin en la superficie del cuerpo. Se debe tener en cuenta el nivel de contaminacin y la frecuencia de amplitud de las sobretensiones causadas por fallas y operaciones de recierre durante las condiciones de contaminacin. Los procedimientos de ensayo adecuados para la verificacin de esta caracterstica, se encuentran bajo consideracin; c) el descargador tiene que soportar descargas parciales internas, provocadas por los gradientes de tensin en el cuerpo, debido a la contaminacin, sin dao de los varistores o los elementos de montaje internos.





3.1.9 Caractersticas de lavado bajo tensin Cuando el lavado bajo tensin de los descargadores esta previsto, se requiere la garanta de que el cuerpo del descargador no contorneara y que el aumento de la temperatura de los varistores se encuentre dentro de la temperatura mxima especificada. Los procedimientos adecuados para estos ensayos, an no han sido definidos. 3.2 Seleccin de descargadores de oxido metlico fase a tierra 3.2.1 Tensin de operacin permanente El requisito bsico es que la cresta de la tensin de operacin permanente del descargador debe ser mayor que la cresta de la tensin de operacin. La cresta de la tensin de operacin se determina por la mayor tensin de frecuencia de red del sistema, incluyendo las posibles tensiones armnicas. En los sistemas usuales, el incremento de la tensin de cresta por armnicos puede ser tenido en cuenta mediante un factor de seguridad de 1,05 de la tensin de frecuencia de red. Como regla general, la tensin de operacin permanente debera ser:

- En los sistemas con eliminacin automtica de fallas a tierra, igual o superior al mas alto valor de cresta de la tensin de operacin fase a tierra divido por 2 ;

- En sistemas de neutro aislados o conectados por medio de bobinas de compensacin

sin eliminacin automtica de fallas a tierra, igual o superior a la ms alta tensin de operacin de lnea.

NOTA: Para estos sistemas, el factor de seguridad de 1,05 se considera como cubierto por la caracterstica tensin de frecuencia de red en funcin del tiempo del descargador, tomando en cuenta la duracin limitada de las fallas a tierra de estos sistemas. Si la mayor tensin de operacin en la localizacin del descargador no se conoce con exactitud, sta debe ser reemplazada por la ms alta tensin del sistema o por la ms alta tensin del equipo. Si el descargador se instala ms cerca de los objetos activos o aterrados, que lo recomendado por el fabricante, debe investigarse si la distribucin de tensin a lo largo del descargador es suficientemente lineal, para la tensin de operacin permanente seleccionada. 3.2.2 Tensin nominal La tensin nominal de los descargadores, se selecciona en funcin de las sobretensiones temporales del sistema, en el lugar de colocacin del descargador, teniendo en cuenta su amplitud y su duracin. El requisito bsico de que la caracterstica de tensin de frecuencia de red versus tiempo del descargador debe ser mayor que la caracterstica de la amplitud de la sobretensin temporal versus duracin del sistema. La capacidad de resistir la contaminacin y la capacidad de lavado bajo tensin debe ser considerada cuando sea apropiado. Las siguientes causas de sobretensiones temporales debern tenerse en cuenta siempre:

- Sobretensiones por fallas a tierra Estas sobretensiones se producen en una gran parte del sistema. Una gua para la determinacin de la amplitud de sobretensiones temporales esta dada en el anexo A. La duracin de la sobretensin corresponde a la duracin de la falla (hasta la eliminacin de la misma). En sistemas con neutro aterrado esto es por lo general menor a 1 s. En sistemas con neutro conectado por medio de bobina de compensacin, la duracin de la falla es en general, menor a 10 s. En los sistemas sin eliminacin de fallas a tierra, la duracin puede ser de varias horas.

- Rechazo de Carga

Despus de la desconexin de las cargas, aumenta la tensin en el lado del circuito de la fuente del interruptor de la compaa operadora. La amplitud de la sobretensin depende de la carga desconectada y de la potencia de cortocircuito del alimentador de





la subestacin. La sobretensin temporal tiene particularmente amplitud elevada, despus del rechazo de carga total a nivel de los generadores, dependiendo de las condiciones de magnetizacin y sobre velocidad. La amplitud de las sobretensiones por rechazo de carga usualmente no es constante durante la duracin de las mismas. Para poder realizar clculos precisos, deben tener en cuenta gran cantidad de parmetros que normalmente no se encuentran disponibles.

Como orientacin, pueden utilizarse los siguientes valores tpicos de dichas sobretensiones.

- En los sistemas moderadamente extendidos, un rechazo a plena carga puede dar lugar a sobretensiones fase a tierra con amplitud por lo general por debajo de 1,2 p.u.. La duracin de la sobretensin depende de la operacin del equipo de control de tensin y puede ser de hasta varios minutos.

- En los sistemas extendidos, despus de un rechazo a plena carga, la sobretensin de

fase a tierra puede llegar a alcanzar valores de 1,5 p.u. o incluso ms cuando ocurre el efecto Ferranti o de resonancia. Su duracin puede ser del orden de algunos segundos.

- Para rechazo de carga al nivel de los generadores las sobretensiones temporales

pueden alcanzar amplitudes de hasta 1,4 p.u. para los generadores turbodiesel y hasta 1,5 p.u. para generadores de energa hidroelctrica. La duracin es de aproximadamente de 3 s.

- Cuando se conoce la evolucin de la amplitud en funcin del tiempo, la amplitud

mxima brinda una adecuada representacin de la sobretensin, con una duracin igual al tiempo durante el cual la amplitud, supera el 90% de este valor.

En algunos sistemas, deben tenerse en cuenta las siguientes causas de sobretensiones temporales:

- Efectos de resonancia, por ejemplo cuando se cargan largas lneas en vaco o resonancia entre sistemas;

- Elevacin de tensin a lo largo de las lneas largas (efecto Ferranti); - Sobretensiones armnicas, por ejemplo al maniobrar transformadores; - Retroalimentacin a travs de los devanados de transformadores interconectados; por

ejemplo en una estacin con dos transformadores con una barra del secundario comn durante la eliminacin de una falla, o por interrupcin unipolar en un transformador trifsico con carga secundaria desbalanceada.

Las sobretensiones temporales debidas a ferroresonancia, no debe constituir la base para la seleccin de los descargadores, ya que la presencia de este fenmeno debe ser eliminada por medio de un diseo adecuado. Las sobretensiones temporales por causas secuenciales, por ejemplo rechazo de carga causado por una falla a tierra, deben tenerse en cuenta, cuando ambas sobretensiones tienen severidades comparables. En tales casos, sin embargo, la cantidad de carga rechazada depende de la localizacin de la falla y la localizacin del descargador tiene que ser examinado cuidadosamente pues la falla a tierra puede no estar en el entorno de la ubicacin de este ltimo. La combinacin de causas, tales como falla a tierra y rechazo de carga puede dar lugar a una mayor sobretensin temporal que aquellos valores generados por un evento nico. Cuando tales combinaciones se consideran suficientemente probables, las sobretensiones para cada causa tienen que ser combinadas tomando en cuenta la configuracin del sistema existente. La caracterstica tensin de frecuencia de red versus tiempo del descargador, debe ser superior a la amplitud de la sobretensin temporal versus el tiempo del sistema. Como una





aproximacin, la amplitud y la duracin de las sobretensiones temporales, donde la duracin esta comprendida entre 0,1 y 100 s, puede convertirse en una amplitud equivalente, Ueq, con una duracin de 10 s (correspondiente a la duracin de la tensin nominal en el ensayo de funcionamiento):

( )m10Tt/Ut=Ueq (1) Donde: Ut es la amplitud de la sobretensin temporal; Tt es la duracin de la sobretensin temporal en s; Ueq es la amplitud del equivalente a 10 s de la sobretensin temporal; y m es el exponente que describe la tensin de frecuencia de red versus la caracterstica de tiempo del descargador. Para diseos de descargadores diferentes el exponente vara entre 0,022 y 0,018 pudiendo utilizar un valor medio de 0,02. La tensin nominal de los descargadores debe ser igual o superior a la mxima sobretensin temporal equivalente obtenida. NOTA 1: En algunas aplicaciones, se requiere un margen de seguridad entre la sobretensin temporal equivalente mxima y la tensin nominal, con el fin de cubrir las posibles inexactitudes en la determinacin de la sobretensin. Valores normales de tales mrgenes estn entre el 5 % y el 15 %. NOTA 2: Cuando se desean niveles de proteccin inferiores al del diseo del descargador adoptado, a fin de obtener mayor margen de proteccin con respecto al BIL de los equipos, pueden seleccionarse tensiones nominales por debajo de la sobretensin temporal equivalente de 10 s, siempre que el descargador sea capaz de absorber la energa causada por los eventos del sistema. En este caso, los clculos de absorcin de energa deben llevarse a cabo para la simulacin de los eventos del sistema. Adems de una cuidadosa modelizacin del sistema, es conveniente conocer la dispersin de las caractersticas tensin-corriente del descargador. NOTA 3: En algunos casos, se selecciona la tensin nominal de los descargadores teniendo en cuenta la absorcin de energa durante la descarga de lnea de transmisin con la desventaja de un mayor nivel de proteccin de los descargadores que produce un menor margen de proteccin con respecto al BIL del equipo a proteger. 3.2.3 Corriente de descarga nominal y clase de descarga de lnea 3.2.3.1 General En la IEC 60099-4, la capacidad de absorcin de energa de los descargadores est vinculada a la corriente de descarga nominal. Si el valor de corriente de impulso de gran amplitud no es seleccionado desde la IEC 60099-4 (como se permite de acuerdo con la nota 1 de la tabla de dicha norma), la capacidad de absorcin de energa de los descargadores est relacionado con la corriente nominal de descarga y al impulso de gran amplitud. Por otra parte, la absorcin de energa del descargador, debido al esfuerzo de la sobretensin transitoria del sistema, depende de la caracterstica tensin residual corriente del descargador y estos, de la corriente de descarga nominal. La corriente nominal de descarga y la clase de descarga de lnea, se determinan por ello mediante un proceso iterativo. 3.2.3.2 Corriente de descarga nominal La corriente de descarga nominal se selecciona de acuerdo a la corriente de descarga atmosfrica que atraviesa el descargador, para la cual se desea proteger al equipamiento. Se pueden aplicar aqu las mismas consideraciones que para los descargadores con explosores del punto 2.2.2. Como regla general, los siguientes valores son adecuados en funcin de la descarga de corriente de rayo esperada: Gama I (superiores a 1 kV, hasta 245 kV): 5 kA 10 kA En los sistemas de la gama I de IEC 60071-1 donde las distancias entre descargadores son pequeas (menos de 5 kilmetros), los descargadores para los transformadores de distribucin con una corriente nominal de descarga de 5 kA han demostrado ser lo suficientemente fiable, incluso cuando los transformadores estn conectados a lneas con postes de madera, cuyas crucetas no se encuentran conectadas a tierra. En los sistemas con tensin de 72,5 kV y menores, los descargadores con una corriente nominal de 5 kA pueden ser suficientes para reas con baja densidad de descarga a tierra y





efectivo blindaje en las lneas areas entrantes, con impedancias bajas de pie de torre. Los descargadores con descarga de corriente nominal de 10 kA, pueden ser preferibles para instalaciones importantes (necesidad de la mejor proteccin), particularmente en reas con alta densidad de descarga a tierra o alta resistencias de tierra. En los sistemas con tensiones ms altas de 72,5 kV, generalmente se recomiendan descargadores de 10 kA. Gama II: (por encima de 245 kV): 10 kA o 20 kA Para sistemas con tensiones de hasta 420 kV y menores, generalmente es suficiente emplear descargadores con corriente de descarga nominal de 10 kA. Para sistemas con tensiones por encima de 420 kV, pueden requerirse descargadores de 20 kA. 3.2.3.3 Capacidad de absorcin de energa - Los descargadores de xido de metlico deben ser capaces de absorber la energa debida a las sobretensiones transitorias en el sistema. Las sobretensiones transitorias severas se derivan de:

- Cierre o recierre de lneas largas;

- Desconexin de bancos de capacitores o cables con reencendido del interruptor;

- Descargas de rayo en los conductores de lnea con un alto nivel de aislacin o descarga inversa cercana a la ubicacin del descargador.

Con los niveles de proteccin conocidos de los descargadores, la energa que debe ser absorbida por el descargador puede ser estimada utilizando la siguiente frmula: - Cierre y recierre de lneas

ZTw

)UpsUe(Ups.2=W (2)

Donde: W es la absorcin de energa; Ups es el nivel de proteccin a impulso de maniobra del descargador; Ue es la amplitud de las sobretensiones, por ejemplo estimada segn IEC 60071-2; Z es la impedancia caracterstica de la lnea; Tw es el tiempo de propagacin a lo largo de la lnea, igual a la longitud dividida por la velocidad de propagacin de la onda en la lnea; - Maniobra de capacitor o cable

( )[ ]22 )Ur2(Uo3C21

=W (3) Donde: C es la capacitancia del banco de capacitores o del cable; Uo es la cresta de la tensin de operacin fase a tierra; Ur es la tensin nominal de los descargadores (valor r.m.s.). La energa puede ser compartida con otros descargadores de la misma fase. El grado de intercambio debe estudiarse. - Rayo

( )( )[ ]Z

TlUplUpl/Uf2ln+1UplNUf2=W (4)





Donde: ln es el logaritmo natural; Upl es el nivel de proteccin a impulso del descargador; Uf es la tensin de descarga negativa del aislamiento de la lnea (tensin de ruptura crtica negativa del aislamiento de la lnea); Z es la impedancia caracterstica de la lnea; N es el nmero de lneas conectadas al descargador; Tl es la duracin equivalente de la corriente del rayo incluyendo tanto al primero como a los impactos subsiguientes. Valor tpico: de 3 10-4 s Si las distancias entre subestaciones en el sistema de distribucin son pequeas, la energa puede dividirse debido a la particin de corrientes. NOTA: La frmula se ha extrado de la integracin de una sobretensin con decrecimiento exponencial. En algunos casos, otros eventos distintos de los mencionados pueden dar lugar a una gran absorcin de energa por el descargador sin explosores, un ejemplo tpico es el de la corriente de operacin de fusibles limitadores en una aplicacin inusual, o si se instalan descargadores con muy bajo nivel de proteccin. En los ensayos de funcionamiento (clusula 8.5 de la norma IEC 60099-4) el descargador tiene que absorber la siguiente energa antes de la aplicacin de la tensin nominal: - descargadores 5 kA y 10 kA de clase de descarga de lnea 1: Estos descargadores estn sujetos a un impulso de alta corriente en los ensayos de funcionamiento. La energa producida por el impulso de alta corriente puede ser estimada por:

T.l.Ua=W (5) Donde: Ua es la tensin residual al impulso de alta corriente. Si esto no se conoce, puede ser estimado como 1,5 veces la tensin residual a la corriente nominal de descarga; I es la amplitud del impulso de alta corriente especificada; T es el tiempo efectivo del impulso de alta corriente, de 6,5 s; - descargadores 10 kA de clase de descarga de lnea superior o igual a 2, y descargadores de 20 kA. Estos descargadores estn sometidos a ondas de maniobra en la prueba de funcionamiento. La energa absorbida por el impulso esta dada en el anexo E de la IEC 60099-4. La capacidad de absorcin de energa de un descargador es igual o mayor, que dos veces este valor.

Para una determinacin ms precisa de la absorcin de energa, deben llevarse a cabo estudios numricos detallados, teniendo en cuenta todos los parmetros de las sobretensiones. Si la absorcin de energa requerida para el servicio es superior a la capacidad de absorcin de energa del descargador seleccionado, verificada por los ensayos de funcionamiento, deber seleccionarse una mayor corriente nominal de descarga, o superior clase de descarga de lnea, o un valor superior de impulso de alta corriente. Alternativamente, la tensin nominal del descargador puede ser incrementada, siempre que se consiga una adecuada proteccin. 3.2.4 Clase de alivio de presin En el caso de una falla interna de un descargador, la corriente de falla a travs de l, no debe causar destruccin violenta del cuerpo del descargador. Por lo tanto, la corriente de falla soportada por el descargador debera ser igual o mayor que la corriente de falla mxima a travs del descargador en el punto de instalacin del mismo.





Si se requieren valores ms altos que los que figuran en IEC 60099-1, en su tabla de corrientes especficas para los ensayos de cortocircuitos y la clusula 6.11 del IEC 60099-4, el usuario debe consultar al fabricante. Seccin 4: Aplicacin de descargadores 4.1 Principio de la coordinacin de aislamiento El principio de coordinacin de aislamiento segn IEC 60071-1 e IEC 60071-2 necesita de la determinacin de las tensiones soportadas nominales en cuatro pasos: a) Sobretensiones representativas al emplazamiento del equipamiento. b) Tensin soportada de coordinacin del equipamiento durante su vida til. c) Tensin soportada requerida de los equipos en condiciones de ensayo normalizados. Esto puede diferir de la tensin soportada de coordinacin debido al envejecimiento del aislamiento o debido a la dispersin de fabricacin y armado. Estas diferencias son compensadas por un factor de seguridad de 1,15. Para instalacin a altitudes de hasta 1.000 metros, este factor tambin cubre las correcciones atmosfricas necesarias para el aislamiento externo. d) Tensin soportada nominal. Esto reconoce las posibles diferencias de las formas de onda de las tensiones nominales soportadas y comprende la seleccin de valores en las tablas de tensiones soportadas normalizadas. 4.2 Proteccin contra sobretensiones de frente lento La proteccin contra las sobretensiones de frente lento, tiene gran importancia en la gama II. En la gama I, el nivel de aislacin estndar del equipamiento es usualmente tan alto que la proteccin contra sobretensiones de frente lento generalmente no es necesaria (la excepcin son mquinas rotativas, vase el apartado 5.2). La sobretensin representativa al emplazamiento del equipo protegido por el descargador, es igual al nivel de proteccin a impulso de maniobras, ya que con la excepcin de lneas de transmisin, los efectos de propagacin de ondas viajeras pueden no ser tenidos en cuenta y las tensiones a bornes del equipamiento son iguales a la resultante en el descargador. - Los descargadores de xido metlico sin explosores son adecuados contra sobretensiones de frente lento en sistemas con sobretensiones temporales moderadas, mientras que los descargadores con explosores, operan a sobretensiones de frente lento solamente despus de la conduccin de los explosores en serie. Como regla general, se puede asumir que con descargadores de xido metlico sin explosores, es posible alcanzar una limitacin a amplitudes de sobretensiones fase a tierra (valor cresta) de aproximadamente dos veces la tensin nominal del descargador (valor eficaz). El nivel de proteccin de los descargadores con explosores es sustancialmente mayor. Esto significa que los descargadores de xido metlico son adecuados para limitar sobretensiones de frente lento debido a la energizacin o re-energizacin de lneas y maniobras de corrientes inductivas o capacitivas, pero en general no limitan las sobretensiones causadas por fallas a tierra y por eliminacin de fallas, donde las amplitudes previsibles de estas ltimas son poco elevadas. Las sobretensiones causadas por la energizacin y re-energizacin de lneas producen corrientes a travs de los descargadores de una amplitud del orden de 0,5 kA a 2 kA. En este rango de corriente, el conocimiento exacto de la amplitud de corriente no es importante debido a la extrema alinealidad del material de oxido metlico. La influencia del tiempo de frente de la corriente puede ser ignorado para sobretensiones de frente lento. Por otra parte, tambin pueden ignorarse los efectos de separacin dentro de la subestacin. Sin embargo el





aislamiento distante de la subestacin, sobre las lneas areas, puede recibir las sobretensiones de un nivel mucho mas elevado que el nivel de proteccin. Los descargadores se instalan generalmente entre fase y tierra. Si se utilizan descargadores de oxido metlico para limitar sobretensiones de frente suave a un nivel bajo, las sobretensiones de fase a fase podran alcanzar alrededor de dos veces el nivel de proteccin fase a tierra de los descargadores, sin tener en cuenta o independientemente, del tratamiento del neutro del transformador. La sobretensiones de fase a fase, constara de dos componentes de fase a tierra con la mas frecuente subdivisin 1:1. Si se requieren niveles de aislamiento entre fases, menos elevados, es necesario colocar descargadores adicionales entre fases. El valor mximo supuesto de la sobretensin fase a tierra representativa, es igual al nivel de proteccin del descargador. Para las sobretensiones fase a fase, puede ser hasta dos veces este valor, cuando no se instalan descargadores entre fases. En el caso de la proteccin con descargadores contra sobretensiones de maniobra, se produce una desviacin seria en la distribucin estadstica de las sobretensiones. Esta desviacin es ms pronunciada en el nivel de proteccin menor, en comparacin con las amplitudes de las sobretensiones de frente suave previsible. En esta situacin, pequeas variaciones en el aislamiento tienen un impacto importante en el riesgo de falla. Para cubrir este efecto, se propone determinar el factor de coordinacin determinista, que depende de la relacin entre el nivel de proteccin del descargador y el valor al 2% de las sobretensiones previsibles.

1,1Kcd7,02Ue

Ups = (6)

2UeUps2,024,1Kcd2,1

2UeUps7,0 = (7)

0,1Kcd2Ue

Ups2,1 = (8) Y la coordinacin de la tensin soportada a impulso de maniobra es:

Ups.Kcd=Ucw (9) Donde: Ups es el nivel de proteccin a impulso de maniobra del descargador; Ue2 es el valor al 2% de la amplitud de la sobretensin a frente lento previsible entre fase y tierra; Ucw es la tensin soportada de coordinacin a impulso de maniobra del equipamiento; Kcd es el factor de coordinacin determinista. NOTA: El factor de 1,0 a 1,1 tiene en cuenta la alta probabilidad de las sobretensiones con amplitudes igual al nivel de proteccin debido al truncamiento de la distribucin de las sobretensiones por el descargador. Esta probabilidad es mayor, cuanto menor es el nivel de proteccin. Debido a la incertidumbre en resistir del equipo, el margen entre la tensin soportada y el nivel de proteccin, debera ser incrementado con el aumento de la probabilidad de sobretensin, para mantener un determinado nivel de riesgo. 4.3 Proteccin contra sobretensiones atmosfricas





4.3.1 General Debido a la elevada pendiente de las sobretensiones atmosfricas, no pueden pasarse por alto los efectos de propagacin de ondas viajeras entre el descargador y el equipamiento. Como regla general, la tensin a los bornes de los equipos protegidos es mayor que la tensin residual del descargador (ver 4.3.2.). Por lo tanto, siempre es una buena practica, la de reducir las distancias de separacin entre el descargador y la mayora de los equipos importantes a un mnimo. Sin embargo, a veces es posible proteger a ms de un equipo con un nico descargador instalado, siempre que pueda limitarse la pendiente como en el caso de que tanto la estacin y las lneas areas de alimentacin estn efectivamente protegidas por hilos de guarda. La proteccin por cable de guardia de las lneas y de la estacin es un factor importante en la ubicacin del descargador dentro de una estacin. Normalmente es posible proporcionar blindaje de la estacin, aunque las correspondientes lneas asociadas estn sin blindaje. El blindaje de la estacin reduce la probabilidad de altas tensiones y escarpados frentes de onda dentro de la estacin, resultantes de descargas de rayos de alta corriente. Sin embargo, debe reconocerse que la mayora de las descargas ser en las lneas, que crean ondas viajeras que se propagan hasta la estacin. Si las lneas estn protegidas, las ondas entrantes en la estacin son menos severas que la de las lneas sin blindaje. Consecuentemente la magnitud de la corriente de los descargadores es menor, resultando en una menor tensin residual y en una mejor proteccin del equipamiento. Las instalaciones no protegidas por hilo de guarda son sometidas a descargas de rayos ms elevadas y a una pendiente de frente de onda de tensin ms alta. Es recomendable el reducir al mnimo posible la distancia de separacin entre los descargadores y las instalaciones en donde no se utiliza blindaje completo. En el caso de instalaciones protegidas con hilo de guarda con una sola lnea area entrante no protegida con hilo de guarda, los descargadores deben ser localizados tan cerca como sea posible de los terminales del equipamiento a ser protegido (generalmente un transformador). Cuando varias lneas areas entrantes sin blindaje se renen en la estacin, la amplitud de las sobretensiones y pendientes son limitadas por la divisin mientras que la frecuencia de aparicin aumenta. Sin embargo, es necesario considerar el caso en que una o ms lneas queden fuera de servicio, as como la probabilidad de ocurrencia de dichas actividades durante tormentas elctricas. Si uno o ms interruptores o seccionadores quedan abiertos en la estacin, las entradas de las lneas correspondientes a ciertas partes de la estacin pueden quedar fuera de la proteccin de los descargadores situados a nivel de los transformadores. Las descargas de contorneo de la aislacin de una lnea desenergizada no es probable que cause dao al aislamiento de la lnea, pero el aislamiento de otros equipos como interruptores, transformadores de tensin y corriente conectados del lado de la lnea podran ser daados. Si estos casos son reconocidos como posibles, se necesita proteccin adicional, pudiendo los descargadores ser instalados en las respectivas lneas de entrada. Las tensiones incidentes provenientes de lneas con hilo de guarda son de menor pendiente y amplitud que las de las lneas sin blindaje. En muchos casos, esto permitir una cierta separacin entre los descargadores y la aislacin a proteger. En el caso de una sola lnea area protegida por cable de guarda, un conjunto de descargadores puede ser localizado en un punto que provea proteccin para todo el equipamiento, dando preferencias al transformador. El mtodo en 4.3.2 puede ser utilizado para determinar la mxima distancia de separacin entre los descargadores y el transformador. En estaciones con mltiples lneas areas blindadas (asociada a grandes instalaciones con transformadores, interruptores y equipos de medicin), los descargadores no siempre son situados en los terminales de cada transformador. El mtodo descrito en 4.3.2 puede usarse para estimar las mximas distancias de separacin. Las instalaciones ms importantes, pueden justificar un estudio detallado de transitorios.





Tales estudios e interpretaciones de sus resultados estn fuera del alcance de este texto. Existen dos soluciones para la utilizacin de descargadores para la proteccin de equipamiento contra las sobretensiones atmosfricas:

- Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulso atmosfrico necesaria para el nivel de proteccin y la distancia de separacin del descargador. La tensin soportada nominal de impulso atmosfrico, luego se obtiene multiplicando el valor determinado previamente por el factor de 1,15 (ver clusula 4.1).

- Determinar la zona de proteccin del descargador, que es igual a la distancia de

separacin mxima, para la cual las exigencias de la coordinacin del aislamiento se cumplen para el nivel de proteccin del descargador y para una tensin soportada dada de coordinacin. Esta se obtiene dividiendo la tensin soportada nominal de impulso atmosfrico del equipamiento por 1,15 (ver 4.1)

En principio, ambas alternativas requieren la determinacin de la forma de la sobretensin verdadera en el equipo protegido y su tensin asociada con esa forma. Puede asumirse, como una simplificacin suficiente y adecuada, que este requerimiento est cubierto bajo las siguientes condiciones:

- Para descargadores con explosores: La tensin de cebado sobre el frente de onda es comparada con la tensin soportada de impulso atmosfrico cortado del equipamiento; y/o La tensin de cebado a impulso atmosfrico y la tensin residual a la corriente de descarga nominal (8/20) se comparan con la tensin soportada a impulso atmosfrico del equipamiento.

En lo que concierne a los transformadores con aislamiento de papel impregnado, ambas variantes dan aproximadamente el mismo resultado. Por otra parte, para los grandes transformadores, la capacitancia de entrada reduce la pendiente de la sobretensin que incide. Por lo tanto, la consideracin de la tensin de cebado sobre el frente de onda, puede omitirse.

Si el equipamiento situado en la lnea de entrada de la subestacin tiene un esfuerzo soportado a impulso atmosfrico cortado menor al 15 % por encima del impulso pleno (BIL), puede ser necesaria la consideracin de tensin de cebado sobre el frente de onda. Para subestaciones aisladas con gas (GIS) las ondas transmitidas y reflejadas dentro de la subestacin causan un decremento de la pendiente de la onda incidente, provocando el cebado del descargador a tensiones menores que la tensin de cebado sobre el frente de onda. Como una simplificacin, por lo tanto, los efectos del cebado de frente de onda del descargador puede no tenerse en cuenta o, alternativamente, pueden llevarse a cabo clculos de ondas viajeras.

- Para descargadores de oxido metlico sin explosores:

La tensin residual a descarga de corriente nominal y/o a impulso de corriente de frente rpido, se compara con la tensin soportada a impulso atmosfrico del equipamiento. Las sobretensiones de rayo representativas de la proteccin esperada, provocan habitualmente corrientes que atraviesan el descargador, donde los tiempos de frente de la corriente son ms prximos a 1 s que a 8 s. Puede justificarse el uso de la tensin residual a impulsos de corriente de frente rpido, lo que resulta entonces en una sobretensin aproximadamente el 5% mayor que la tensin residual a corriente nominal de descarga. Los clculos comparativos han demostrado que este efecto es similar al efecto de cebado sobre el frente de onda de los descargadores de carburo de silicio (Csi) que tienen explosores y se aplican las mismas consideraciones.





NOTA: Para aislaciones en aire, estos procedimientos pueden dar lugar a un resultado demasiado conservativo debido al retardo en el cebado o contorneo de la aislacin, que suele expresarse como curvas tensin - tiempo. Resultados ms precisos puede obtenerse de clculos de propagacin de ondas, donde este retardo en el contorneo es tomado en cuenta. Consideraciones similares se aplican a otros aislamientos para los que el comportamiento de la ruptura se conoce. 4.3.2 Mtodo simplificado para la proteccin contra rayos La experiencia con equipamiento de subestacin existente, ha demostrado que, si los factores que influyen dados en 4.3.1 se tienen en cuenta, la tensin soportada de coordinacin a impulso de rayo puede ser determinada a partir de la frmula emprica (10), que considera las caractersticas fundamentales del comportamiento de las sobretensiones de rayo en las estaciones (vase el IEC 60071-2).

Lf+LspLt

NA

+Upl=Ucw (10)

Donde: Lf = Ra / r es la longitud de las lneas areas prxima a la estacin, que da la tasa de eventos de descargas de rayos igual a la tasa de falla aceptable. La fraccin derecha multiplicada por A/N es proporcional a la pendiente de las ondas incidentes representativas. Debe tenerse en cuenta que en las formulas (10), (11) y (12), deben utilizarse unidades compatibles; Ucw es la tensin soportada de coordinacin a impulso de rayo; A es la tensin de acuerdo con la tabla 2, describiendo la performance a descarga de las lneas areas conectadas a la estacin; Upl es el nivel de proteccin a impulso de rayo; N es el nmero de lneas conectadas a la subestacin (N = 1 o N = 2); Lt es la longitud total d + d1 + d2 + dA, de la figura 2; Lsp es la longitud del vano; Lf es la longitud de la seccin de la lnea area con una tasa de salida igual a la tasa de falla aceptable; Ra es la tasa de falla aceptable (nmero de fallas por unidad de tiempo) para el equipamiento protegido; r es la tasa de salidas de una lnea area (nmero de salidas por unidad de tiempo y unidad de longitud) por ao, para el diseo correspondiente al primer kilmetro por delante de la estacin. Si N = 2, las tasas deben ser aumentadas. Tasas de fallas usuales aceptables del equipamiento protegido son, como se indica en la IEC 60071-2, entre 0,1 y 0,4 % por ao. En los ejemplos de la tabla 3, se emplea un valor tpico de 0,25 % por ao. Para lneas de distribucin, los valores tpicos de las tasas de salidas son usualmente grandes comparadas con las tasas de falla aceptable, por ejemplo: si la longitud Lf de la lnea area es pequea, puede no ser tenida en cuenta. La formula (10) es entonces simplificada a:

LspLt

NA

+Upl=Ucw (11)





Figura 2a Instalacin sin malla de tierra (sistemas de distribucin)

Figura 2b Instalacin con malla de tierra (estaciones transformadoras)

Figura 2 Diagrama de acometida de los descargadores para la proteccin de equipamiento.

Donde: d es la distancia entre el terminal de alta tensin del equipo protegido y el punto de conexin del conductor de alta tensin del descargador; d1 es la longitud del conductor de alta tensin del descargador; d2 es la longitud del conductor de tierra del descargador; A es el descargador; dA es la longitud del descargador; Ze es la impedancia de tierra; T es el objeto protegido; U es la onda de sobretensin incidente.





Las sobretensiones inducidas por descargas de rayos, necesitan ser consideradas en sistemas de distribucin, donde el equipamiento no esta protegido contra descargas de rayos directas a los conductores o contra la descarga inversa. (Detalles y recomendaciones son objeto de examen en CIGRE.) NOTA: La formula (10), describe la cada de tensin p.u. en funcin del comportamiento con respecto a la descarga de rayo de la lnea area conectada al equipamiento, al diseo de la subestacin y a la tasa de falla aceptable adoptada para el equipamiento. Usando el conocimiento existente del comportamiento de las descargas de rayo en lneas areas y de la atenuacin de los efectos corona, la constante A ha sido determinada de manera a obtener una adecuacin entre las tensiones soportadas calculadas con la formula (10) y

guia de seleccion de descargadores

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