selecc.pararrrayos

1

Capitulo VCapitulo V

Elementos de protección Elementos de protección contra sobre tensionescontra sobre tensiones

ContenidoContenido

1.1. IntroducciónIntroducción

2.2. Característica de operación de Característica de operación de pararrayospararrayos

3.3. Tipos de pararrayosTipos de pararrayos

4.4. Selección de pararrayosSelección de pararrayos

5.5. AplicacionesAplicaciones

1. Introducción1. Introducción

A lo largo de la historia de la ingenieria de distribución de laenergia electrica se han empleado diversos elementos para proteger circuitos aereos contra las sobretensiones por descargas atmosfericas.

Los elementos de protección mas empleados para salvarguardar el aislamiento de ls líneas aereas de distribución en la actualiad son:

• Cuernos de arqueo.• Cable de guarda.• Pararrayos o Apartarrayos

2

Pararrayos en la red y en la subestaciónPararrayos en la red y en la subestación

Cuernos de arqueo o explosoresCuernos de arqueo o explosores

• Uno de los medios mas simples y economicos para proteger el equipo de distribución

• Se colocan en paralelo con el equipo que se desea proteger, seleccionando la separacion entre electrodos de tal modo que sea capaces de soportar la tension nominal mas alta del sistema y produzcan la descarga cuando ocurra cualquier sobretension.

• Es necesario que el nivel del aislamiento del equipo sea mayor que el valor mas elevado al que operan los cuernos de arqueo.

3

Cuernos de arqueo o explosoresCuernos de arqueo o explosores

Carcteristica de trabajo del Cuerno de Carcteristica de trabajo del Cuerno de arcoarco

La caracteristicas eléctrica de los cuernos de arqueo es tal quesoporte la tension mas alta del sistema por tiempo indefinidoy operen para cualquier sobretension anormal.

Para el inicio de descarga en los cuernos de arqueo debe existir un electron libre en la region de alta intensidad del CE. Cuando esto ocurre, el electron se acelera por la accion del campo y choca con atomos neutros.

Si el campo es bastante intenso, el electron ganara suficiente energia para ionizar el atomo neutro, liberando otros electrones; estos son acelerados tambien, chocando con otros atomos neutros y liberando mas electrones. El proceso se repite hasta que el movimiento de electrones se convierta en una avalancha, estableciendose asi el arco.

4

La aplicación de los cuernos de arqueo en redes de distribucion se ha visto limitada debido a su incapacidad de autoextinguir la corriente de 60 ciclos que sigue a la corriente transitoria, produciendose una falla a tierra que deba ser eliminada por la operacion de interruptores con recierre. Esto causa una interrupcion momentanea, que en muchos casos es indeseable, razon por la cual esta forma de proteccion se ha visto restringida en sistemas de distribucion.

Limitaciones de su uso del Cuerno de arcoLimitaciones de su uso del Cuerno de arco

1.0 2.0 3.0

0.2

0.4

0.6

0.8

M.V

SEPARACION METROS(a)

Forma de electrodos

Polaridad ( - )

Polaridad ( + )

Tensión critica de flameo en Cuernos de arcosTensión critica de flameo en Cuernos de arcos

5

1.0 2.0 3.0

0.2

0.4

0.6

0.8M

.V

SEPARACION METROS(b)

Forma de electrodos

Polaridad ( + y - )

Tensión critica de flameo en Cuernos de arcosTensión critica de flameo en Cuernos de arcos

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

125 cm

100 cm

75 cm

25 cm50 cm

MICROSEGUNDOS

MIL

IVO

LTIO

S

CARACTERISTICAS TENSION-TIEMPO DE CUERNOSDE ARQUEO CON ELECTRODOS CILINDRICOS

6

Cable de guardaCable de guarda

Hilo conductor que recorre paralelamente a las fases del sistema; sebe ser soportado adecuadamente en las torres o postes y ser aterrizado a intervalos continuos a lo largo de la ruta.

Dado que una nube inducirá cargas del mismo signo tanto en los conductores como en el hilo de guarda, es claro que el gradiente de potencial en los alrededores de las líneas se reduce y por tanto la magnitud del impulso resultante tambien se reducira. Si el hilo de guarda es colocado correctamenmte evitara que las líneas reciban descargas atmosféricas directas.

Mecanismo de protección del Mecanismo de protección del cable de guardacable de guarda

El mecanismo por medio del cual la linea es protegida se describe a continuacion: asumiendo que la carga de una nube es positiva y en un principio no existiera hilo de guarda, una carga negativa se inducira sobre la linea, y en vista que una sola pequeña porcion de la linea esta bajo la nube directamente, la carga real que tendra la linea sera obtenida de las partes remotas de las mismas. El potencial de la linea con respecto a tierra es positivo y su magnitud sera igual al potencial de la nube menos el potencial reflejado debido a la nube.

7

EFECTO DEL HILO DE GUARDA

-

-

HILO DE GUARDA

CONDUCTOR

NUBE +

Es posible calcular por un metodo sencillo el grado de proteccion de un hilo de guarda debido a que:

• Las fugas reducen el potencial estatico del conductor casi cero antes de que la nube descargue.

• La altura de la nube, relativa a al altura del conductor sobretierra, justifica la suposicion de que el campo electrostatico es vertical en la vecindad del hilo a tierra.

8

Calculo del nivel de Calculo del nivel de protección del CGprotección del CG

Considerando el caso de un conductor simple de un solo hilo de guarda, como se muestra en la fig. en donde se ilustran tanto las cargas en los hilos como sus imágenes, A´ y B´ en terminos de los coeficientes de Maxwell, se tiene la expresion antes de la descarga:

Gh1 + p11q1 + p12q2 =0 (CG)Gh2 + p21q1 + p22q2 =0 (conductor)

NUBE +

B

A

HILO DE GUARDA

CONDUCTOR

C7

q1

q2

h1h2

B´

A´IMAGENES

+

+

Inmediatamente despues de que se efectue la descarga, la carga q2 sobre el conductor permanece inalterable; sin embargo, la carga q1 sobre el hilo de guarda cambiara a un nuevo valor q1´y sera de signo opuesto a q2.

Donde:G = Gradiente de potencial debido a la nube entre el conductor y

tierra.q1 = Carga por unidad de longitud en el hilo de guarda antes de la

descarga atmosferica.q2 = Carga por unidad de longitud conductor antes de la descarga

atmosferica.h1 = Altura del hilo de guarda.h2 = Altura del conductor.p11 = 2.Ln . 2h1

rp12 = 2.Ln . h1 + h2

h1 – h2

9

El conductor tendra un potencial electorstatico (V) elevado del asumido cero antes de la descarga, teniendo entonces:

......................................0

222*121

212*111

VqPqPqPqP

=+=+

Despejando q2:

211

12*1

2122211

1212112

qPPq

PPPhPhPGq

−=

−−

−=

Sustituyendo en 7:

222211

1221 qPq

PPPV +

−=

La relacion de potenciales electrostaticos inmediatamente despues que la nube ha descargado, es decir, con hilo de guarda y sin hilo de guarda se conoce como la relacion de proteccion (P.R.) de hilo de guarda. De la relaciones obtenidas anteriormente se tiene entonces:

............)(

)(

2111

12

11

22122211

−=

−=

hhPPGV

PqPPPV

Si el hilo de tierra no existe:

P12 = 0 y V = -Gh2

................1..211

112

hPhPRP −=

10

30 30

HILO DE GUARDA

CONDUCTORES..........1..211

112

hPhPRP −=

La PR se incrementa aumentando el numero de CG, pero este no real.El P.R. Esta en funcion del arreglo fisico entre las lineas y CG; se ha encontrado que ese arreglo es optimo cuando el hilo forma un angulo de 30o entre los conductores y el hilo de guarda, disminuyendo este a medida que el angulo se hace mayor a este valor.

Pararrayos o apartarrayosPararrayos o apartarrayos

El empleo de pararrayos para la proteccion contra sobretensiones en sistemas de distribucion es sin duda el metodo que mas se ha desarrollado a la fecha.

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Los tipos de pararrayos son : los pararrayos tipo autovalvular o carburo de silicio (SiC) con entrehierro o GAP y de oxido de zinc (ZnO) sin entrehierro y cuyas caracteristicas lo acercan a una valvula electrica no lineal ideal.

TENSION(p.u)

1.6

0.8

CORRIENTE (p.u)

Valvula Electrica no lineal

CARACTERISTICA DE OPERACIÓN DE LOS CARACTERISTICA DE OPERACIÓN DE LOS APARTARRAYOS AUTOVALVULARESAPARTARRAYOS AUTOVALVULARES

El apartarrayos tipo autovalvular consiste basicamente en un entrehierro y una resistencia no lineal. El entrehierro aisla la linea de tierra en condiciones normales de operación y es capaz de descargar corrientes transitorias a tierra con una tension de descarga baja; asimismo, la resistencia ofrece una alta impedancia a la corriente que sigue a la transitoria.

12

Cuando los entrehierros flamean, las válvulas conducen una corriente aproximadamente igual a :

I = KV n

Donde: “n” fluctua entre 4 y 6 para el carburo de silicio (SiC) y K es una constante que depende del diseño y especificacion del apartarrayos.

Es interesante notar que cuando n = 1 , K = 1/R, por tanto, V = IR no es mas que la ley de Ohm.

CARACTERISTICA DE OPERACIÓN DE LOS CARACTERISTICA DE OPERACIÓN DE LOS APARTARRAYOS AUTOVALVULARESAPARTARRAYOS AUTOVALVULARES

A medida que la tension aumenta por arriba de la tension nominal, la corriente se incrementara rapidamente (en funcion de n) causando un calentamiento adicional y una umento en el valor de la corriente. Por tanto, cualquier pequeño incremento en la tension por arriba de la nominal puede resultar en una incapacidad de los entrehierros en disipar corrientes mayores para las que estan diseñados. Esto a su vez causara reigniciones que podrian provocar fallas severas en el apartarrayos.

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TENSION APLICADA (KV)

PR

OB

AB

ILID

AD

DE

FA

LLA

DE

LA

PA

RTA

RR

AY

OS

100%

0%

Probabilidad de falla de un apartarrayos autovalvular

1 10 100 1000 10K 100K0.1

1

10

100

AMPERIOS

KIL

OVO

LTIO

S

A

B

Caracteristicas de operación de un bloque de Caracteristicas de operación de un bloque de SIC (B) y ZnO(A)SIC (B) y ZnO(A)

14

La corriente de descarga puede alcanzar niveles de miles de amperes durante una sobretension debida a descargas atmosfericas, disminuyendo posteriormente a cientos de amperes una vez que la sobretension se ha disipado. Los entrehierros del apartarrayos deben ser capaces de interrumpir esta “corriente posterior” y permanecer sellados contra cualquier sobretension momentanea que persista en las terminales del apartarrayo.

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

ENTREHIERROS PRINCIPALES

ENTREHIERROS DE PRE-IONIZACION

ELECTRODOS SUPERIOR

ELECTRODOS CENTRAL

ELECTRODOS INFERIOR

Existe una vieja regla que dice que el valor nominal debe ser igual o mayor que el valor maximo de la sobretension momentanea de fase a tierra, ya que de no ser asi el apartarrayos puede flamear repetidamente, lo que resulta en daños progresivos a las valvulas y entrehierros, y a la larga en una falla de la unidad.

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Clases de pararrayos autovalvulaesClases de pararrayos autovalvulaes

• Estacion• Intermedia• Distribucion

Los apartarrayos clase estacion son los mas costosos y presentan las mejores caracteristicas para efectos de coordincion de aislamiento; tiene la menor tensión de descarga y capacidad para soportar las mas altas corrientes de descarga. Se emplean principalmente para proteger subestaciones de alta tensión.

Los apartarrayos clase intermedia se emplean en subestaciones de mediana tension y para proteger algunos circuitos de distribucion subterranea donde se requiere mejorar los margenes de proteccion que se obtiene si se aplicaran apartarrayos clase distribucion.

La clase de distribución son los menos costosos y los que, como su nombre lo indica, se emplean en sistemas de distribucion .

16

100

TEN

SIO

N (R

V)

TENSIONES DE DESCARGA

0.1 0.5 1.0 10

TIEMPO (MICROSEGUNDOS)

TIEMPO DECHISPEO

20KA10KA5KA

3KA1.5KA

TENSION NOMINAL DEL APARTARRAYOS

TEN

SIO

N D

E C

HIS

PEO

AL

IMPU

LSO

(KV)

CON CUERNOS DE ARQUEO EXTERNOS

SIN CUERNOS DE ARQUEO EXTERNOS

3 6 9 12 15 1821 24 27 30

20

40

60

80

100

120

17

CORRIENTE EN KILOAMPERIOS

POR

CEN

TAJE

DE

DES

CA

RG

AS

10 20 30 40 50 60 700.001

0.01

0.1

1

10

100

ZONAS RURALES

ZONAS SUBTERRANEAS

ZONAS URBANAS

KV V V V KV KV KV KV KV KV3 4500 3750 3000 29 14 8 9.5 11.5 12.56 9000 7500 6000 47 25 16 18.5 23.0 25.09/10 14500 12500 10000 65 35 26 30.0 38.0 42.012 15000 15000 12000 79 46 32 37.0 45.0 51.015 18000 18000 15000 92 56 40 46.0 57.0 63.018 25000 22300 18000 106 67 48 55.0 68.0 76.021 27500 25000 21000 120 774 56 64.0 79.0 88.027 38000 34000 20000 - 98 71 82.0 102.0 114.030 42000 37500 30000 - 108 79 92.0 113.0 116.036 50000 45500 37000 - 129 96 110.0 136.0 152.0

10000 A

CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE APARTARRAYOS TIPO DISTRIBUCION

1500 A 3000 A

MAXIMO VOLTAJE DE CHISPEO

VOLTAJE MAXIMO DE DESCARGA (IR)VOLTAJE NOMINAL

VOLTAJE 3 MAXIMO DEL SISTEMA

TIPO A TIPO B TIPO C-D 20000 ACON EXPLOSOR

SIN EXPLOSOR

18

600

300

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

A M P E R E S

K V

LINEAL

SIC

ZOC

Características de las válvulas de apartarrayos de SiC Y ZnO.

Carburo de Silicio Oxido de Zinc

Requiere entrehierros No requiere entrehierros

Debe llegar a una tensión de chispeo para descargar la energía debida a una sobretensión

Al no tener entrehierros conduce la corriente de descarga inmediatamente después que se presenta una sobretensión

Bajo condiciones normales de operación es insensible al medio ambiente

Es relativamente insensible al medio ambiente; sin embargo, es muy sensible a la temperatura, siendo esta una variable muy importante en su diseño.

19

SELECCISELECCIÓÓN Y APLICACIN Y APLICACIÓÓN DE APARTARRAYOS N DE APARTARRAYOS AUTOVALVULARESAUTOVALVULARES

Se puede resumir que las principales características que deben tomarse en cuenta para la selección y aplicación de este tipo de dispositivos son las siguientes:

Tensión nominal Corriente de descarga Tensión de chispeo (con onda 1.2/50 us).Tensión d descarga (con onda 8/20 us).Tensión de descarga a 60 Hz.

Characteristics of a typical MO-Block

MO

SiC

200

A

10-210-4 1 102 104

13

10

5,66

0

20

[kV]

[A]

Up = 4 p.u.

√(2 x Uc)

In = 10 kA

Medición con tensión continua Onda de corriente 8/20 µs

20

Caracteristica funcional del pararrayo

A = PararrayosT = TransformadorE = Flujo de la energíaU = Onda de Sobretensión incidentev = Velocidad de Ue = Extremo de línea

UP = Nivel de protección A

Tensión Residual UPU v

A

T

E

BIL del Transformador

Márgen de protección

e

Estabilidad de los Pararrayos de MO

Punto crítico

Punto de operaciónestable

Embalamiento térmico

T

P,Q

Q

P Energía disipada P en los discos MO y calor disipado Q

desde las partes activas al exterior en función de la

temperatura de MO a la tensión continua de operacción

Uc.

21

Para elegir el „Pararrayos correcto“, se debeproporcionar la información siguiente:

Valor de la tensión de línea (fase - fase) en la red (Um)

Tipo de puesta tierra de la red en la que se instalara el pararrayos(sólidamente a tierra, aislado, ...)

En caso de falta a tierra: Tiempo de despeje de esta falta

Dimensionado

UMCOV ≥ (Ce x Um) / √3 = Uc para pararrayosentre fase y tierra

Donde:

UMCOV = voltaje maximo continuo de operación del pararrayosce = factor de fallo a tierra de la RedUm = voltage de fase a fase de la Red

Redes Aisladas (Ce Factor ≤ 1,73)Redes Aterradas (Ce Factor ≤ 1,4)

Dimensionado

22

Recordar:Instalar los pararrayos lo más cerca posible del equipo a proteger

Mantener lo mas corto posible la unión metálica del Pararrayos con tierra

Cuanto menor sea la tensión residual... Mas alto será el márgen de

protección... Mas reducidas serán las

solicitaciones eléctricas(resultando una vida mas larga y menor mantenimiento)

Dimensionado

Clasificación de Pararrayos s / (IEC)

Precio del equipo protegido

Muy

impo

rtan

te

Muy caro

Impo

rtan

cia

del e

quip

o pr

oteg

ido

Clase dedescarga 3 (4)

Clase de descarga 2 (3)

Clase de descarga 1

Clase de descarga 2 (3)

Dimensionado

23

Clasificación de Pararrayos (ANSI/ IEEE))

Precio del equipo protegido

Muy

impo

rtan

te

Muy caro

Impo

rtan

cia

del e

quip

o pr

oteg

ido

Clase estación

Clase distribuciónservicio normal

Clase distribu-ción servicio pesa-do ó claseintermedia

Clase distribuciónó servicio pesadoclase intermedia

Dimensionado

Motivos frecuentes de fallos,roturas ó destrucción del pararrayos ó su envolvente:

- Envejecimiento térmico sostenido („Embalamiento Térmico“) debido a disipa-ción térmica insuficiente, principalmente con resistencias débiles

- Envejecimiento producido por entrada de agua ó humeda (es el motivo de fallode los pararrayos con envolvente de porcelana. Problemas de sellado)

- Arcos de contorneo y destrucción subsiguiente, indusive explosiones(porcelana) debidas a fuerte polución.

- Nidos de pájaros y penetración de insectos en la zona de evacuación desobrepresiones.

- Selección incorrecta ó dimensionado insuficiente (p.e. datos de selecciónfalsos ó imprecisos.

- Vandalismo (p.e. disparos)

Tecnologia de Silicona

24

“Demostración del EfectoHidrófobo”

Pararrayos MT POLIM - S

Tecnología de Silicona

“Ensayo de Reacción al Fuego de Pararrayos tipo MWK”Fuente calor: Soplete de Soldadura

El material del pararrayosautoextinge el fuego al retirar la llama

Estado de la superfície delpararrayos después del ensayo


25

Porqué emplear pararrayos poliméricos?

Menor peso del pararrayos- aprox. 50% del equivalente en porcelana- fácil manejo e instalación- economía de transporte -almacenamiento

pararrayos con excelente capacidad sísmica

se pueden instalar en proximidad de otros aparatos

Silicona - Propiedades

Porqué emplear pararrayos poliméricos?

una envolvente no fragmentable, no frágil a los golpes y sin riesgo de explosión- soporta transporte y manejo rudos- incrementa la seguridad del personal y de los equipos enexos- de acuerdo con la clase mas alta (x) según la nueva IEC

una envolvente moldeada directamente sobre los elementos activos (bloques MO )- sin entrada de humedad (la causa de fallas mas común)- sin descargas parciales internas (impactos múltiples )


26

Porqué la Silicona es la Solución Óptima...?

Porqué solo con la Silicona podemos tener...

• La mas elevada resistencia al contorneo y al arco

• Son pararrayos resitentes a la radiación Ultravioleta y al Ozono

• Son pararrayos con excelente capacidad hidrófobica estable en el tiempo

• Envolvente que mantiene su flexibilidad a -55°C

• Envolvente autoextinguible

• Envolvente sin...Productos de combustion nocivos (no halógenos)No gotea (no puede inflamar materiales en el suelo)


Niveles de aislamiento normalizado

•En normas internacionales especifian los valores de tensión de ensayo, que resultan de obligado cumplimiento para todos aquellos equipos que se empleen en instalaciones de alta tensión.•Estos valores de tensión se reúnen en tres grupos. Grupo A(de 1 a 52 KV), Grupo B (de 52 a 300 KV), Grupo C (más de 300KV).

27

Niveles de aislamiento normalizados

Niveles de Aislamiento para tensiones de 52 a 245 KV

La tabla N° 1 muestra los niveles de aislamiento para sistemas con tensiones de 52 a 245 KV (Rango B, según la IEC), de acuerdo con las recomendaciones de la IEC de 1976.

Se hace parte del diseño, la selección del nivel de aislamiento apropiado, considernado las condiciones de puesta a tierra del sistema.

Para equipos con tensiones de este rango, el nivel de aislamiento queda completamente definido por las tensiones soportadas a la frecuencia industrial y al impulso atmosferico.

NIVELES DE AISLAMIENTO PARA APARATOS DEL GRUPO “A”

La lista 1 se utilizará en instalaciones con el neutro a tierra, bien directamente o con una pequeña impedancia, o cuando el neutro este puesto a través de una bobina de extinción o en redes equipadas con una protección suficiente contra sobretenciones

Tensión más elevada para el aparato en KV eficaces (Um)

Tensión de corta duración a

frecuencia industrial en KV eficaces

Tensión de impulso tipo

rayo en KV de cresta Lista 1

Tensión de impulso tipo

rayo en KV de cresta Lista 2

3.6 10 20 407.2 20 40 6012 28 60 75

17.5 38 75 9524 50 95 12536 70 145 170

28

Tensión máxima del equipo Um KV (eficaz)(1)

Tensión nominal soportada al impulso tipo rayo KV (pico) (2)

Tensión nominal soportada a frecuencia industrial KV (eficaz) (3)

52 250 9572.5 325 140

450 185550 230450 185550 230650 275550 230650 275750 325650 275750 325850 360950 3951050 460

123

145

170

245

Nivel de aislamiento para 52 KV hasta 300KV entre fase-tierraGrupo B

Tensión máxima del equipo Um KV (eficaz) (1)


Tensión nominal soportada a frecuencia industrial KV (eficaz) (3)

52 250 9572.5 325 140

450 185550 230450* 230**550 230650 275550* 275**650 275750 325650* 360**750* 360**850 360950 3951050 460

123

145

170

245

Nivel de aislamiento para 52 KV hasta 300KV entre fase-faseGrupo B

29

Fase-tierra(2) Fase-Fase(3)850950950

1050950

10501050117510501175117513001425117513001425130014251550142515501800155018002100180019502400

Tensión máxima del equipo Um KV (eficaz) (1)


750 1175

1300

850 1300


525

765

950

1425

1425

300

362950

420

850

1050 1550

1050 1675

1175 1800

1300 2250

1425 2400

1550 2550

Nivel de aislamiento para mayor a 300KV entre fase-tierra y fase-faseGrupo C

Selección de pararrayosSelección de pararrayos

Tradicionalmente los pararrayos eran como el de resistencias no lineales de carburo de silicio, el cual tambien es denominado tipo válvula o estación.

Estan siendo desplazados por los pararrayos del tipo de oxido de Zinc, ZnO, o sin descargadores (gaps).

Pararrayos del tipo de oxido de Zinc, ZnO MT

30

Pararrayos ConvencionalesPararrayos Convencionales

La tensión nominal de los pararrayos debe ser siempre superior a la máxima tensión (60Hz) que pueda aparecer en el sistema entre fases y tierra. Estas tensiones, consideradas como sobretensiones de origen interno, por lo general se presentan en las fases no afectas durante las fallas monofásicas a tierra.

Pararrayos ConvencionalesPararrayos Convencionales

La magnitud de las sobretensiones de origen interno debido a fallas de fase a tierra depende de la relación de impedancias de secuencia cero y secuencia positiva. Así para sistemas efectivamente puestos a tierra en donde Xo/X1<3 y Ro/X1, las normas IEC consideran que la máxima sobretensión eficaz no sobrepasa 1.4 veces la tensión máxima eficaz fase a tierra del sistema, mientras que para sistemas con neutro aislado las sobretensiones alcanzan hasta 1.73 veces la tensión eficaz máxima (Um). El considerando anterior se ilustra en la siguiente figura.

31

Sobretensiones temporales durante fallas monofasicas a tierra

01 2 3 4 5 6

1

2

3

4

5

6

7

SOBRETENSION p.u

1.73

1.61.5

1.4

1.25

Ro/X1

X2 = X1 R2 = R1 = 0 Xo/X1

Ejemplo: Las tensiones nominales para pararrayos a instalar en sistemas sólidamente puestos a tierra con tensiones máximas de 10kV, 60kV y 138 KV seran respectivamente:

KV

KV

KV

1124.13

138

5,484.13

60

1,84.13

10

=×

=×

=×

Si se tiene un sistema con neutro flotante y una tensión máxima de 60 KV, el pararrayos tendria una tensión nominal de:

KV6073.13

60=× Todos estos valores se

normaliza según el catalogo del fabricante

32

Tarea: Calcular las tesniones nominales de pararrayos si las maximas tensiones del sistema son: 13,8kV, 22,9kV y 20 kV

Pararrayos de ZnO

La tensión nominal de los pararrayos. R de ZnO se encuentra teniendo encuenta los siguientes parámentros.

Tensión continua de operación, COVTensión continua de operación, COV

COV = Um/1.73 , pararrayos conectados fase – tierra

Sobretensión temporal, TOVSobretensión temporal, TOV

TOV = Ke . COV ; Ke factor de tierra = 1.4 para sistemas aterrados y 1.73 para aislados. (Ke se determina de la curva de:Sobretensiones temporales durante fallas monofasicas a tierra.

33

En sistemas de AT pueden ocurrir sobretensiones temporales difernetes a las producidas durante fallas a tierra, las cuales deben ser determinadas como resultado de los estudios del sistema.

- La tension nominal del pararrayos, R, es el mayor valor entre Ro y ReRo = COV / Ko

En donde Ko es el factor de diseño del pararrayos, el cual varia según sea el fabricante, un valor normalmente encontrado es 0.8.

34

KtTOV /Re =

En donde Kt es la capacidad del pararrayos y depende del tiempo de duración de la sobretensión temporal.

Asi, para un segundo, Kt = 1.15; para 10 segundos, Kt = 1.06 y para dos horas, Kt = 0.95 (valores aproximados).

Se puede prever un margen extra de 10% para sistemas con tensioes inferiores a 100KV y % para sistemas con tensiones mayores de 100KV, encontrandose asi la tensión nominal del pararrayos, R.

Ejemplo de selección de pararrayos de ZnO podemos asumir un sistema sólidamente puesto a tierra con una tensión maxima de 123 KV:

Valor normalizado 96KV

KVRKVKVRo

KVTOVKVCOV

959005.1901.1/99Re898.0/71

99714.1713/123

=×======×===

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TENSION NOMINAL MCOV TENSION

NOMINAL MCOV

KV KV KV KV7 2.6 132 1066 5.1 144 1159 7.7 168 131

10 8.4 172 14012 10.2 180 14415 12.7 192 15218 15.3 228 18021 17.0 240 19024 19.5 258 20927 22.0 264 21230 24.4 276 22036 29.0 288 23039 31.5 294 23545 36.5 312 24548 39.0 396 31854 42.0 420 33560 48.0 444 35372 57.0 468 37290 70.0 492 39296 76.0 540 428108 84.0 564 448120 98.0 576 462

588 470642 485

Tabla para seleccionar pararrayos ZnO (ANSI/IEC 62.11-87)

Las características exteriores de los pararrayos de ZnO deben ser similares a las de los pararrayos convencionales.

Niveles de protección de un pararrayosNiveles de protección de un pararrayos

Son los valores máximos de tensión pico que deben aparecer en los terminales de un pararrayos cuando respectivamente, ondas de impulso tipo atmosferico y tipo maniobra, de forma normalizada, son aplicadas bajo condiciones especificadas.

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Pararrayos convencionalesPararrayos convencionales

El nivel de protección para impulsos tipo atmosferico (NPR) de un pararrayos convencional es considerado, para efectos de coordinación de aislamiento, como el mayor entre los siguientes valores, según la norma IEC 71-2, clausula 13.1:a.- Tensión máxima de cebado al frente de onda dividido por 1.15.b.- Tensión máxima de cebado al impulso.c.- Tensión máxima residual

Por otra parte, el nivel de protección para el impulso de maniobras (NPM) de un pararrayos es considerado, para efectos de coordinación de aislamiento, igual al cebado con impulso tipo maniobra.

Pararrayos de ZnOPararrayos de ZnO

El NPR de un pararrayos de ZnO es considerado, en términos generales, para efectos de coordinación de aislamiento, como el mayor entre los siguientes valores:a.- Tensión máxima residual para un impulso escarpado de corriente dividida por 1.15b.- Tensión máxima residual para un impulso atmosferico a la corriente nominal de descargas ( 5.000A, 10.000 o 20.000 A).

Descargas muy cercanas al pararrayos produce ondas de corriente muy pendientes, lo cual en estudios de coordinación de aislamiento se considera un 10 % adicional a la tensión residual con implusos de corriente de 10 KA.

Para proteger cables muy largos con pararrayos solo en un extremo, considerar una corriente de 20 KA

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Capacidad de disipación de energía de los pararrayosCapacidad de disipación de energía de los pararrayos

En los pararrayos de ZnO es especialmente importante definir correctamente la capacidad de disipación de energía del pararrayos. El caso considerado principalmente es la maniobra de recierre contra una carga atrapada en una linea con el pararrayos instalado en el extremo abierto de la linea.

Calculos detallados de la energia a disipar por el pararrayos conllevan a la utilización de herramientas tales como el EMTP o PSCAD. A continuación se presenta un metodo simplificado, el cual se puede tomar como una primera aproximación para la determinación de la energía, si ésta energía es mas elevada debe efectuarse un calculo mas preciso.

Formulas simplificadasFormulas simplificadas

KJZnTUpUpUovW ×××−= 2)(

En donde:Uov = Sobretensión esperada sin pararrayosUp = Nivel de protección del pararrayos. Igual a NPM para tensiones mayor de 200KV e igual al NPR para tensiones menor de 200KV.Z = Impedancia caracteristica de la linea.T = Tiempo de viaje de la onda.n = Número de descargas consecutivas sin enfriamiento del pararrayos.

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Valores tipicos de Z y Uov se ilustran en la siguiente tabla:

Valores Tipicos de Impedancia. Caracteristicas y Sobretensiones

Tensión Máxima (Um)

Impedancias caracteristicas Z

Sobretensión del sistema Uov

(KV) (OHM) (p.u)<145 450 2.6

145 - 345 400 2.6362 - 525 350 2

765 300 2

Línea en Ensayo en NoruegaEl POLIM - S empleado como Pararrayos de Línea

Pararrayos Especiales - Pararrayos de Líneas

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Diagrama de una

Red de Línea y

Subestación

Aplicación del

Nuevo POLIM R

Aplicación del

POLIM H..ND

Pararrayos de Baja Tensión tipoMVR 0,44 protegiendo el devanadode BT de un trafo de distribución MT / BT

APLICACION EN BAJA TENSION

40

Estación de Ensayo en ESCOMRepública de Africa del Sur Para-rrayos Poliméricos y aisladoresbajo ensayo:

Tensión de ensayo: 22 kVGrado de Polución: muy pesado

Situación climática:

• Veranos secos• Vientos fuertes y bancos de niebla• Polucion salina (marina) muy fuerte

Estacion de Ensayo de ESCOM

República de Africa del SurPOLIM-D 20 N

Mas de dos años de servicio y siguen en perfectas condiciones.

(foto obtenida el 10.09.1996)

Aplicaciones en Media Tensión

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Ensayo en Campo en Manila /Filipinas

POLIM-D22 L con línea de fugaampliada bajo polucion muysevera en una Planta cementeraen las afueras de Manila


Pararrayos POLIM-H con una tensión continúa de operación asignada de 44 kV, protegiendoun transformador en Suiza


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Pararrayos POLIM-D protegiendoun trafo MT en un centro de transformación en Suiza


Transformador de Distribución MT/BTcon pararrayos en MT (POLIM-D 14L) y en BT (MVR 0,44)


43

POLIM - D con soporte y desconectadormontado en un transformador de distribuciónUMCOV = 12 kV


Ensayo en campo en Perak(Malasia)

POLIM-D22N / -D24N protegiendo una derivación de cable

POLIM-D24N

POLIM-D22N


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Field trial test in Manila / the Philippines

POLIM-D22 L with extended creepage underheavy pollutionconditions in a cementplant outside Manila


Accesorios

Selección de accesorios para

POLIM-D...N /POLIM-D...L

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Unidad portatil enchufable SAM 1 & 2. El zócalo enchufablestá provisto de puerto RS232 para conexión PC óNotebook.

Sistema de Monitorización de Pararrayos (SAM)

Unidad portatil enchufable SAM 1


46

Monitor de Pararrayos SAM 1 instalado en POLIM Sclase Estación


Monitor de pararrayos SAM 2 instalado en un POLIM Sclase estación


47

Monitor de pararrayos SAM 2 conectado a unaunidad portatil instalado en un POLIM S claseestación


Monitor de pararrayos SAM 2 conectado a unaunidad portatil instalado en un POLIM Sclase estación


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Cableados de Pararrayos

Cableados de Pararrayos

selecc.pararrrayos

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