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SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE APARTARRAYOS

Victorino Turrubiates Guillen

victurrg@prodigy.net.mx Colegio IME Facultad de Ingeniería BUAP

RESUMEN:

Las sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema eléctrico pueden ser

de dos tipos:

1. sobretensiones de tipo atmosférico.

2. sobretensiones por fallas en el sistema.

En el estudio que ahora he presentado trata de las sobretensiones de tipo atmosférico.

Las ondas que se presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz

y dañan al equipo si no se tiene protegido correctamente.

El apartarrayos, dispositivo que se encuentra conectado permanentemente en el sistema,

opera cuando se presenta una sobretensión de determinada magnitud, descargando la

corriente a tierra.

Las ondas que normalmente se presentan son de 1.2/50 microseg. (Tiempo de frente de

onda/ tiempo de cola ). La función del apartarrayos es cortar su valor máximo de onda

(aplanar la onda).

Las sobretensiones originadas por descargas indirectas se deben a que se almacenan sobre

las líneas cargas electrostáticas que al ocurrir la descarga se parten en dos y viajan en

ambos sentidos de la línea a la velocidad de la luz.

Cada apartarrayos se encuentra normalmente abierto y se encuentra calibrado para que a

partir de cierta tensión entre línea y tierra se cierre automáticamente y filtre los frentes de

onda.

Deben instalarse apartarrayos en plantas industriales, especialmente en lugares donde las

tormentas son frecuentes y de gran intensidad. Su instalación, tanto para proteger al equipo

de la subestación como al equipo de utilización, puede hacerse tanto en el exterior como en

el interior del local que contiene al equipo que se va a proteger, tan cerca de éste como sea

factible, tomando en cuenta que deben estar fuera de pasillos y alejados de otro equipo, así

como de partes combustibles del edificio. Además, deben resguardarse, ya sea por su

elevación o por su localización, en sitios inaccesibles a personas no idóneas, o bien,

protegidos por defensas o barandales adecuados.

Palabras clave: Apartarrayo, Nivel básico de aislamiento, Margen de protección,

Tensión nominal, Tensión de descarga por impulso (Vp) de un apartarrayos.

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ABSTRACT:

The overvoltages that occur on the premises of an electrical system can be of two types: 1. overvoltages of atmospheric type. 2. overvoltages by faults in the system. In the study I presented is now the surge of type atmosphere. The purpose of this study is to present the surge of atmospheric type The waves that occur during a discharge air travel at the speed of light may hurt the team if you are not properly protected. The arresters, a device that is permanently connected in the system operates when voltage of a certain size, downloading the ground current. The waves that are normally present 1.2/50 microsec. (Wavefront time / tail time). The role of the arresters is to cut its maximum value of wave (wave flattening). The surges caused by indirect discharges occur because the lines are stored on electrostatic charges to start the download will happen in two and travel in both directions of the line at the speed of light. Each arresters is normally open and is calibrated so that when a certain tension between line and ground and close automatically filter the wavefronts. Arresters should be installed in industrial plants, especially in places where storms are frequent and intensive. Their installation, both to protect the substation equipment and the equipment used, can be done both outside and inside the room containing the equipment to be protected, as near as possible, taking into account which should be out of corridors and away from other equipment and fuel parts of the building. They must be kept, either by lifting or by their location in inaccessible sites to unsuitable persons, or protected by adequate guards or railings. Keywords: Arresters, Basic level of isolation Protection margin Rated voltage is the voltage arresters designation

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1 Introducción.

Los sistemas de energía eléctrica están sujetos a sobrevoltajes internos y externos que pueden dar lugar a altos voltajes temporales. Los sobrevoltajes temporales ocurren en los sistemas de energía por una variedad de razones tales como fallas, operación de interruptores y descargas atmosféricas (rayos). Sin comparación, los sobrevoltajes más severos son los que resultan de las descargas atmosféricas que inciden en el sistema de energía. Es posible que los sobrevoltajes puedan ser muy altos y den lugar a fallas del aislamiento del aparato de energía con resultados destructivos. Es por tanto imperativo que se diseñen los sistemas de energía de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la capacidad de soporte del aislamiento del aparato de energía. Muchas veces, este requisito básico se traduce en un costo excesivo. Por esta razón, se busca una solución de compromiso en la que los sistemas de energía se diseñen, de tal manera que se pueda hacer mínima la posibilidad de falla destructiva del aparato de energía debida a sobrevoltajes. Este procedimiento se basa en la coordinación de los sobrevoltajes esperados con la capacidad de soporte del aparato de energía. Típicamente intervienen dos pasos: (1) el diseño apropiado del sistema de energía para controlar y llevar al mínimo los posibles sobrevoltajes y (2) la aplicación de dispositivos de protección por sobrevoltajes (apartarrayos). En forma conjunta, a los dos pasos se les llama protección por sobrevoltaje o coordinación de aislamiento.

El apartarrayos presenta el principal elemento para la coordinación de aislamiento en las subestaciones eléctricas estableciendo una correlación entre sus características de protección y los niveles básicos de aislamiento de los equipos por proteger, con particular referencia a los aislamientos internos. 1.2 Antecedentes.

Aunque de antemano sabemos, que la Norma Oficial Mexicana NOM-001 SEDE-2005 no es un libro para el diseño de las instalaciones eléctricas, en lo que respecta a apartarrayos.

En el Capítulo 4.2 “Alambrado y Protección”, Artículo 280, en la parte “A” Disposiciones Generales, y en la parte “B” conexión de los apartarrayos, se menciona muy poco en cuanto a su elección y localización de los apartarrayos con relación al equipo por proteger.

Razón por la cual, la finalidad de este trabajo es contar con una guía sencilla y práctica para los estudiantes de ingeniería eléctrica, a los ingenieros de proyecto y a las unidades de verificación de instalaciones eléctricas; que les permita a los dos primeros como seleccionar los apartarrayos para proteger los transformadores en las subestaciones; y por lo que respecta a las unidades de verificación de instalaciones eléctricas, que les sirva para conocer si los apartarrayos que se pretenden instalar en el caso de proyectos o los que ya se encuentran instalados; es decir en instalaciones existentes son los adecuados en el desarrollo del proceso de la evaluación de la conformidad de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, que en su momento estén llevando a cabo. 1.3 Marco Teórico.

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La vida actual demanda una gran calidad en cualquier tipo de servicio y el servicio de energía eléctrica no es la excepción. Esto obliga a las compañías suministradoras a que se tenga un mayor cuidado en la transmisión y distribución de energía, para evitar discontinuidad en el servicio, protegiendo sus equipos de posibles fallas, que además les afectaría su economía por el daño a dichos equipos.

Y en lo que corresponde a los usuarios en forma particular también cualquier interrupción del servicio de energía eléctrica afecta su economía por lo que también se ven obligados a proteger sus equipos de la subestación de su propiedad.

En este trabajo, lo que se estudia es la protección de los transformadores de las subestaciones particulares contra sobrevoltajes que pueden ser ocasionados por descargas atmosféricas, operaciones de los interruptores y/o fallas propiamente dichas, por medio de apartarrayos.

La correcta selección y aplicación de los apartarrayos, permitirá al ingeniero elaborar una buena protección de los sistemas de energía por medio de la coordinación del aislamiento, tomando en cuanta el nivel básico de aislamiento por impulso (NBI) y el nivel de aislamiento por maniobra o switcheo (NBS) de los equipos, pero en lo que respecta a esta tesina, sólo se tratará lo relacionado con el nivel básico de aislamiento, al impulso por rayo (NBI). 1.3.1 Definiciones.

Tensión nominal de un sistema trifásico.- Es la tensión eficaz entre fases con que se designa el sistema y a la que están referidas ciertas características de operación del mismo.

Tensión máxima de diseño (Vm).- Es el valor máximo de tensión entre fases para el cual está diseñado el equipo

con relación a su aislamiento así como por otras características que se refieren a esta tensión en las normas relativas al quipo.

Tensión nominal.- Es la tensión de designación del apartarrayos. Tensión residual (Vr) de un apartarrayos.- es la tensión que aparece entre la terminal de línea y tierra de un

apartarrayos durante el paso de la corriente de descarga con una onda de 8/20 µs. Este concepto no es aplicable a apartarrayos de oxido de zinc.

Tensión de descarga a 60 Hz (V60) de un apartarrayos.- Es el valor eficaz de la menor tensión de baja frecuencia

(60 Hz) que aplicada entre las terminales de línea y tierra de un apartarrayos causa el arqueo de todos los explosores (“gaps”) que se encuentran en serie. Este concepto no es aplicable a los apartarrayos de oxido de zinc.

Tensión de descarga por impulso (Vp) de un apartarrayos.- Este es el valor mas alto de tensión obtenida con un

impulso de onda y polaridad dadas (1.2/50 ó 250/2500 µs para impulso por rayo o por maniobra respectivamente), aplicada entre las terminales de línea y tierra del apartarrayos.

Tensión resistente al impulso nominal por maniobra (o por rayo ).- Es el valor cresta dado de una tensión

resistente al impulso (o por rayo) que caracteriza a los aislamientos de un equipo con respecto a las pruebas resistentes. Corriente de descarga del apartarrayos (Id) .- Esta corriente se calcula a partir de las características de

protección y nivel básico de aislamiento del sistema, generalmente se expresa en kilo amperes Ka, 1.4 Aplicación. 1.4.1. Características de aplicación de los apartarrayos.

Las características de los apartarrayos que se deben tomar en consideración para su aplicación, son principalmente las siguientes: a) Tensión nominal (Vn).

A esta tensión también se le conoce como tensión de designación del apartarrayos y su valor se puede obtener en

forma simple de acuerdo con la expresión:

Vn = Ke Vmáx.

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Donde: Vn = Tensión nominal del apartarrayos en KV. Ke = Factor de conexión a tierra cuyo valor depende de las relaciones: R0/X1 y X0/X1,

Siendo: R0 = La resistencia de secuencia cero equivalente del sistema. X0 = La reactancia de secuencia cero del sistema. X1 = La reactancia de secuencia positiva del sistema. Vmáx = La tensión máxima de diseño en KV (de fase a fase) del sistema por proteger.

(Tablas 4, 5 ó 6) Para propósitos de cálculos aproximados, el valor de Ke se puede tomar como 0.8 para sistemas con neutro efectivamente aterrizado en los que se debe cumplir que: R0/X1 ≤ 1.0 y X0/X1 ≤ 3.0

Para sistemas con neutro flotante el valor de Ke se toma como 1.0. Este método para determinar la tensión nominal del apartarrayos sólo es aplicable para la protección contra sobretensiones por rayo. Tratándose de sobretensiones por maniobra de interruptores, el procedimiento es diferente.

b) Localización.

Debe ser tal, que proporcione un margen de protección cuyo valor debe ser al menos, mayor de los mínimos

recomendados (20% para impulso por rayo y 15% para impulso por maniobra).

En la misma forma que es importante seleccionar las características adecuadas de un apartarrayos para proporcionar una protección efectiva al equipo, se debe analizar cuidadosamente la localización de éstos en la subestación , ya que de no hacerlo se puede perder el criterio de coordinación de aislamiento adoptado. En principio, se puede establecer que los apartarrayos se deben instalar tan cerca del equipo por proteger como sea posible , esta solución puede resultar costosa en algunas subestaciones, ya que no siempre es posible ubicarlos como en las redes de distribución , en donde a los transformadores tipo poste se les protege instalando los apartarrayos en una cruceta muy cercana al transformador o directamente en el tanque como es el caso de los transformadores autoprotegidos.

L L

E V(X)

T X

AP TENSIÓN KV

VP

E0

TENSIÓN DE DESCARGA DEL APARTARRAYOS

TENSIÓN EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA

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En subestaciones eléctricas de tensiones superiores, por razones técnicas – económicas se debe determinar cual

es la zona de protección de un apartarrayos ya que como se sabe su protección es máxima en el lugar de la instalación y disminuye a medida que se aleja de ese punto, permitiendo que aparezcan tensiones superiores.

En la determinación de la zona de protección del apartarrayos intervienen básicamente las características de éste, pero principalmente su tensión de operación (tensión de descarga con onda de 1.2/50 µs) y el índice de elevación de tensión o pendiente del frente de onda expresado en KV/µs.

En la figura 1, se ilustran los principales conceptos que intervienen en la localización de los apartarrayos. L = Distancia del apartarrayos hacia ambos lados del punto de su instalación. AP = Apartarrayos. T = Transformador. V(X) = E0 = Tensión que aparece en cualquier punto x de la instalación medida a partir del punto de localización

del apartarrayos. E = Onda incidente en KV.

Se puede observar que a medida que se aleja el apartarrayos, la tensión que aparece en la instalación V(X) es mayor, si se hace un análisis por el método de las reflexiones sucesivas se obtiene que la tensión que aparece en un objeto a una distancia x del apartarrayos se calcula con la expresión siguiente:

V(X) = VP + 2 st siendo: s = Pendiente del frente de onda (índice de elevación) en KV/µs. VP = Tensión de arqueo del apartarrayos en KV. t = Tiempo de recorrido de la onda en µs.

Como en conductores aéreos la onda de sobretensión viaja a la velocidad de la luz, entonces:

v = 300 m/µs.

Por lo tanto, el tiempo de recorrido de la onda es:

sv

xt µ=

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sx

t µ300

=

Tratándose de cables de potencia la velocidad de onda se determina con:

smv µξ

/300=

siendo: ξ= Constante dieléctrica del cable.

La tensión a la distancia x es:

V(X) = VP +

entonces:

x = donde: x = Distancia eléctrica del apartarrayos al objeto por proteger, en metros.

La tensión V(X) no debe exceder al valor VP para el tiempo de ida y retorno de la onda (2t). El valor de la pendiente de frente de onda en los apartarrayos autovalvulares, alcanza un valor de 100 KV / µs por cada 12 KV de tensión nominal de designación.

El efecto de la distancia es despreciable para ondas por maniobras de interruptores debido a que el frente de onda tienen una pendiente muy baja.

La pendiente de frente de onda, se calcula de la siguiente forma:

sKVVns µ/12

100=

Vn = Tensión nominal del apartarrayos.

En la tabla 1 siguiente, se indican valores de pendientes de frente de onda para rangos de tensiones nominales del sistema a proteger.

Tabla 1. Valores de pendientes de frente de onda para rangos de tensiones nominales del sistema a proteger.

Tensión nominal del sistema (KV)

Pendiente del frente de onda por cada KV de tensión nominal KV / µs

Menos de 3 10 3 – 240 * 100 / 12

* Para más de 240 la pendiente del frente de onda es de 1,200 KV / µs

Con relación a la selección de la corriente de descarga de los apartarrayos, se puede mencionar que sólo las descargas cercanas a las subestaciones, someten a los apartarrayos a condiciones severas de operación y para determinar este aspecto cuantitativamente se requiere de la determinación de datos estadísticos de mediciones de corriente de rayo.

Para dar una idea de este aspecto se puede mencionar, que la norma americana ANSI C 62.2 (Standard Guide for Aplication of Valve Arresters for A. C. Systems), muestra que las corrientes de descarga de los apartarrayos en las subestaciones tienen una distribución como la indicada en la tabla 2.

Tabla 2. Distribución de las corrientes de descarga de apartarrayos en subestaciones.

2sx 300

300 (V(X) - VP) 2s

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Porcentaje de las corrientes del rayo que pueden exceder a los valores de corriente indicados

Valor en KA

5 % 65 10 % 50 20 % 35 70 % 9

c) Corriente de descarga.

La corriente de descarga del apartarrayos se calcula a partir de las características de protección y nivel básico de aislamiento (NBI) del sistema, generalmente se expresa en kiloamperes a partir de la expresión:

Id = (KA) donde: E = Es la magnitud de la onda entrante a la subestación a través de la línea de transmisión expresada en

KV, que se puede determinar como: E = Siendo e el valor de la onda incidente y n el número de líneas entrantes a la subestación. Vr = Tensión residual del apartarrayos (KV). (Excepto los apartarrayos de óxido de zinc). zo = Impedancia característica de la línea en ohms. R = Resistencia del apartarrayos en ohms. Para cálculos rápidos cuando el número de líneas entrante a la subestación es uno, que es el caso que nos ocupa para las subestaciones de particulares, la corriente de descarga se puede obtener en forma aproximada como:

Id = K (KA) para lo cual: Id = Corriente de descarga en KA. NBI = Nivel básico de aislamiento del sistema en KV. K = Factor que depende de la distancia al punto de descarga. Para tomar en consideración el efecto de las reflexiones sucesivas de las ondas del rayo desde el punto de la descarga y que tienden a incrementar la corriente de descarga del apartarrayos, a las expresiones para el cálculo de esta corriente se les multiplica por un factor “K” que depende de la distancia al punto de la descarga (D) y de la longitud de la cola de onda pudiéndose tomar los valores que aparecen en la tabla 3, mostrándose a continuación:

Tabla 3. Factor para la determinación de la corriente de descarga.

D (mts) Factor K 700 3

1,600 2 3,200 1

La selección de los apartarrayos debería estar basada sobre las condiciones de sobretensiones máximas esperadas, de manera que el apartarrayos empleado debe ser capaz de soportar estas condiciones con un riesgo de falla mínimo en el mismo. En sistemas de extra alta tensión los apartarrayos se deben instalar tan cerca como sea posible de los equipos a proteger. Las características de protección del apartarrayos se usan con un margen de protección para determinar de esta forma los niveles básicos de aislamiento por impulso y por maniobra de interruptores para el equipo protegido.

2E – Vr

zo + R

2e

n

2NBI zo

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Para niveles de extra alta tensión y ultra alta tensión (más de 400 KV) en el aislamiento autorecuperable, se determinan los niveles básicos de aislamiento por maniobra de interruptores (NBS) suponiendo que no hay acción del apartarrayos. 1.5 Margen de protección.

A la diferencia que debe existir, entre el nivel básico de aislamiento al impulso del aislamiento por proteger y la máxima tensión que puede aparecer en el apartarrayos, se le conoce como margen de protección. Se establece que debe ser como mínimo del 20% para impulsos por rayo y 15% para impulsos por maniobra, generalmente se expresa en porciento y se obtiene con las siguientes expresiones: Para impulso por rayos:

Margen de protección = X 100 Para impulso por maniobra:

Margen de protección = X 100

La máxima tensión en el apartarrayos puede ser la tensión de descarga por impulso o la tensión residual, (la mayor de las dos).

(NBAI) – (Máxima tensión en el apartarrayos) ___________________________________________________________________________

Máxima tensión en el apartarrayos

(NBAM) – (Máxima tensión en el apartarrayos) _____________________________________________________________________________

Máxima tensión en el apartarrayos

NBAI del objeto por proteger

Onda de impulso

MP

MP

Curva del apartarrayos

T

T = Tensión de descarga del apartarrayos

Tensión en kV

Tensión residual a un valor de

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Figura2.- Margen de protección de apartarrayos. 1.5.1. Ejemplos de selección de apartarrayos.

Ejemplo 1.

Determinar las características de protección de los apartarrayos de 69 KV de una subestación de 69/13.8 KV.

Se considera que el sistema se encuentra con el neutro sólidamente conectado a tierra y los apartarrayos que se usarán son el tipo autovalvular.

El NBI para 69 KV es de 350 KV. Solución:

Para 69 KV la tensión máxima de diseño es de 72.5 KV y si el neutro está sólidamente conectado a tierra Ke = 0.8

La tensión nominal del apartarrayos debe ser:

Vn = Ke Vmáx = 0.8 X 72.5 = 58 KV

Suponiendo que la descarga ocurre en un rango de 1,600 metros de distancia de la subestación, la corriente de descarga es:

Id = K Con K = 2 (de la tabla 3); Y considerando Zo = 250 Ω

Id = 2 = 5.6 KA Con estos valores para Id y Vn las características de apartarrayos (en este caso tipo estación).son:

Tensión nominal (Vn) KV 48 60 Corriente de descarga (Id) KA 10 10 Tensión de impulso de arqueo por frente de 1.2/50 µs KV 155 190 Tensión residual con onda de impulso de corriente de descarga de 8/20 µs KV 142 174 Índice de elevación de tensión (pendiente del frente de onda) 400 500

2 NBI Z0

2 X 350 250

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Suponiendo que la instalación de los apartarrayos es muy cercana al transformador, los márgenes de protección son:

MP1 = X 100 = 125.8 %

MP2 = X 100 = 84.2 % En ambos casos los resultados son correctos, por lo que dependiendo de las condiciones técnico – económicas, se selecciona la alternativa más adecuada.

350 - 155 155

350 - 190 190

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1.6 Conclusión.

La tecnología moderna permite limitar las sobretensiones a la frecuencia de servicio, de tal forma que los contorneamientos y perforaciones puedan ser completamente impedidos por medios económicos. En lo que concierne a las sobretensiones atmosféricas, esto es imposible. En dicho caso, se adopta de una parte de un valor absoluto del aislamiento tal que los contorneamientos inevitables vayan a puntos en donde causen el menor daño posible, lo cual se realiza por una graduación conveniente del aislamiento. Una correcta selección y aplicación de los apartarrayos, va a permitir que se logre un buen equilibrio entre protección y economía, que minimizará los daños a los aislamientos del sistema al mismo tiempo que evitará un gasto económico necesario. 1.7 Recomendación. Por todo lo descrito dentro del presente trabajo, se recomienda que cuando se trate de proteger un equipo contra sobretensiones ya sea de carácter interno (switcheos) o externos (rayos), se utilicen apartarrayos adecuados de acuerdo a la instalación, y se tenga presente que mientras estos se localicen lo más cercano al equipo por proteger el margen de protección será mayor. 1.8 Bibliografía. 1. Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005 Instalaciones eléctricas de utilización 2. Especificación de la Comisión Federal de Electricidad L0000-06, de coordinación de aislamiento. Febrero de

1980. 3. Manual de Coordinación de Aislamiento de la Comisión Federal de Electricidad. 4. Enríquez, Harper Gilberto. Fundamentos de Instalaciones Eléctricas de Mediana y Alta Tensión. 3ª.

Reimpresión, 1977, México, p.p. 59 - 62.