1 CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. ÍNDICE DE CONTENIDOS CAPITULO 1: SOBRETENSIONES EN_____________________________________________________________________9 REDES DE POTENCIA______________________________________________________________________9 1 IMPULSOS NORMALIZADOS________________________________________________________12 1.1 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS.__________________________________12 1.2 Impulsos utilizados para determinar el nivel de aislamiento__13 1.3 Impulsos utilizados para la determinación de las características de las protecciones contra sobretensiones_________14 1.3.1 Impulso de corriente de gran amplitud___________________________14 1.3.2 Impulso de corriente de elevada pendiente en el frente__________14 1.3.3 Impulso de corriente tipo maniobra______________________________14 1.3.4 Impulso de corriente tipo rayo__________________________________14 1.3.5 Impulso de corriente de larga duración__________________________14 2 Sobretensiones de origen externo________________________________________________15 3 Sobretensiones de origen interno_________________________________________________15 3.1 Sobretensiones de tipo maniobra______________________________15 3.1.1 Origen de las sobretensiones de maniobra________________________16 3.2 Sobretensiones temporales____________________________________17 SOBRETENSIONES DE MANIOBRA:_____________________________________________________21 MANIOBRA DE___________________________________________________________________________21 BANCOS DE CONDENSADORES_________________________________________________________21 1 INTRODUCCIÓN_____________________________________________________________________21 2 COMPENSACIÓN ENERGÍA REACTIVA______________________________________________23 2.1 INTRODUCCIÓN_________________________________________________23 2.2 TÉCNICAS DE COMPENSACIÓN EN MEDIA TENSIÓN (M.T.)_____________25 2.3 DEFINICIÓN DE SÍMBOLOS USADOS________________________________27 3 MANIOBRAS CON BANCOS DE CONDENSADORES________________________________29 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. MIGUEL GARCÍA-GRACIA. DTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA. U. ZARAGOZA.
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1.2 Impulsos utilizados para determinar el nivel de aislamiento_______________________13
1.3 Impulsos utilizados para la determinación de las características de las protecciones contra sobretensiones_____________________________________________________________14
1.3.1 Impulso de corriente de gran amplitud_______________________________________________141.3.2 Impulso de corriente de elevada pendiente en el frente__________________________________141.3.3 Impulso de corriente tipo maniobra_________________________________________________141.3.4 Impulso de corriente tipo rayo_____________________________________________________141.3.5 Impulso de corriente de larga duración______________________________________________14
2 Sobretensiones de origen externo___________________________________________15
3 Sobretensiones de origen interno____________________________________________153.1 Sobretensiones de tipo maniobra______________________________________________15
3.1.1 Origen de las sobretensiones de maniobra____________________________________________16
2 SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS_____________________________________482.1 LA NUBE DE TORMENTA_________________________________________________48
2.2 EL GRADIENTE ELÉCTRICO______________________________________________49
2.3 LA TORMENTA ELÉCTRICA______________________________________________51
2.4 LA DESCARGA DENOMINADA RAYO______________________________________512.4.1 LA TEORÍA DE SCHONLAND___________________________________________________54
3 EL RAYO Y LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN_________________________________573.1 SOBRETENSIONES INDUCIDAS____________________________________________58
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4ÍNDICE DE CONTENIDOS
1 Parámetros estadísticos del rayo___________________________________________1031.1 POLARIDAD____________________________________________________________103
1.2 CORRIENTE DE PICO____________________________________________________104
1.3 FORMA DE ONDA_______________________________________________________105
2 Estimación del número de descargas de rayo.________________________________108
3 Sobretensiones originadas por impacto de rayo_______________________________1113.1 Cálculo de sobretensiones por impactos directos________________________________111
3.1.1 Impactos directos sobre el apoyo__________________________________________________1113.1.2 Impactos directos en mitad del vano_______________________________________________114
3.2 Cálculo de sobretensiones por impactos indirectos______________________________115
2 ECUACIONES DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN___________________________672.1 DEDUCCIÓN DE LAS ECUACIONES DE LÍNEA A PARTIR DE LA TEORÍA DE CIRCUITOS____________________________________________________________________69
3 FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN PERMANENTE_________________________693.1 LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN COMO CUADRIPOLO_________________________72
3.2 COEFICIENTES DE REFLEXIÓN___________________________________________73
3.3 COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN_________________________________________73
3.4 LÍNEAS SIN PÉRDIDAS____________________________________________________73
4 LÍNEAS EN RÉGIMEN TRANSITORIO____________________________________744.1 INTRODUCCIÓN_________________________________________________________74
4.2 ONDAS NO SENOIDALES EN LÍNEAS SIN PÉRDIDAS________________________75
5 ELECCIÓN DEL MODELO DE LÍNEA_____________________________________785.1 PARÁMETROS DE LÍNEA_________________________________________________78
5.2 MODELOS DE LÍNEA EN EL EMTP_________________________________________795.2.1 CIRCUITOS ________________________________________________________________795.2.2 LÍNEAS TRASPUESTAS (EQUILIBRADAS)_______________________________________815.2.3 PARÁMETROS DE SECUENCIA CERO Y POSITIVA EN LÍNEAS TRIFÁSICAS DE UN SÓLO CIRCUITO______________________________________________________________________835.2.4 LÍNEAS NO TRASPUESTAS____________________________________________________865.2.5 MODELO LÍNEA SIN PÉRDIDAS A ALTA FRECUENCIA___________________________895.2.6 LÍNEAS SIN DISTORSIÓN CON PARÁMETROS CONSTANTES______________________905.2.7 LÍNEAS CON RESISTENCIAS DISCRETAS_______________________________________91
4 Pararrayos de óxido de zinc (ZnO)_________________________________________125
5 EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN_____________________________________1295.1 Autoválvulas clásicas de SiC________________________________________________130
5.2 Autoválvulas tradicionales de electrodos limitadores____________________________130
5.3 Autoválvulas de ZnO______________________________________________________131
DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES_______________________________________________________135
1 DEFINICIONES GENERALES DE LA RED ELÉCTRICA____________________1361.1 Tensión nominal de una red trifásica_________________________________________136
1.2 Tensión más elevada de una red trifásica______________________________________136
1.3 Tensión más elevada para el material: Um_____________________________________137
1.4 Nivel de aislamiento_______________________________________________________138
1.5 Factor de puesta a tierra para una red trifásica en el lugar de la instalación: e_______140
1.6 Coeficiente de defecto a tierra o factor de fallo a tierra de una red trifásica en el punto de instalación: , Ke____________________________________________________________141
1.7 Red con neutro aislado_____________________________________________________142
1.1. Red con neutro a tierra_______________________________________________________142
2 CARACTERÍSTICAS DE LOS PARARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS SIN EXPLOSORES INTERNOS__________________________________________________143
2.1 Tensión nominal, asignada o de extinción (rated voltage): Ur_____________________143
2.2 Tensión continua de operación o de servicio continuo (continuous operating voltage, COV, MCOV): Uc______________________________________________________________143
2.3 Corriente de descarga______________________________________________________145
2.4 Corriente nominal de descarga (nominal discharge current): in___________________145
2.5 Tensión residual o de descarga (discharge voltage, residual voltage): Ures___________146
2.6 Nivel de protección o tensión de limitación (impulse-protective level): Uberg__________146
2.7 Línea de fuga_____________________________________________________________147
DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS_________________________________149
1 Sobretensiones tipo rayo_________________________________________________1501.1 Nivel de protección________________________________________________________150
1.2 Disipación de energía______________________________________________________150
2 Sobretensiones tipo maniobra (switching)___________________________________1512.1 Nivel de protección________________________________________________________151
2.2 Disipación de energía______________________________________________________151
3 Sobretensiones temporales________________________________________________1513.1 Nivel de protección________________________________________________________151
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6ÍNDICE DE CONTENIDOS
3.2 Disipación de energía______________________________________________________152
4 Procedimiento de selección de pararrayos de ZnO_____________________________1534.1 Datos de partida__________________________________________________________153
4.2 Cálculo de la tensión nominal o de extinción de la autoválvula (rated voltage): Ur____153
4.3 Corriente nominal de descarga: iN____________________________________________155
4.4 Energía absorbida por la autoválvula_________________________________________1564.4.1 Sobretensiones atmosféricas y de maniobra_________________________________________1564.4.2 Sobretensiones temporales_______________________________________________________158
4.5 Nivel de protección del pararrayos (SP)_______________________________________1584.5.1 Nivel de protección a impulso tipo rayo (SPRayo)______________________________________1584.5.2 Nivel de protección a impulso tipo maniobra (SPManiobra)________________________________1594.5.3 Nivel de protección ante sobretensión temporal (SPTemporal)______________________________160
4.6 Línea de fuga_____________________________________________________________161
4.7 SELECCIÓN DEL MODELO final__________________________________________162
4.8 Comparación con otros métodos_____________________________________________162
TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZnO__________________________________________________165
1 INTRODUCCIÓN DE LOS DATOS DE LA RED_____________________________1661.1 Características generales___________________________________________________168
5 ELECCIÓN DE LA AUTOVÁLVULA______________________________________201
6 SIMULACIÓN del circuito con AUTOVÁLVULA_____________________________2046.1 Sobretensiones de maniobra________________________________________________205
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9CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
Capítulo 1
SOBRETENSIONES EN
REDES DE POTENCIA
Las sobretensiones transitorias producidas en un sistema de potencia y el correcto
dimensionamiento de las protecciones asociadas, son determinantes en la vida útil de la
aparamenta conectada a la red. Una sobretensión1 consiste en una solicitación variable en el
tiempo, cuyo valor máximo supera al valor de pico de la tensión más elevada del sistema.
Según la causa que origina las sobretensiones, pueden clasificarse en:
- Sobretensiones internas : originadas por maniobras o fallos producidos en el propio
sistema de potencia (p.e. cortocircuitos, ferroresonancia, energización y
desenergización de líneas, conexión de baterías de condensadores).
1 La Norma UNE 21-062 [?] define el término ‘sobretensión’ como toda tensión función del tiempo entre un conductor de fase y tierra o entre dos conductores de fase cuyo valor o valores de cresta sobrepasan el valor de cresta correspondiente a la tensión más elevada para el material, entendiendo por tensión más elevada para el material al valor de tensión a partir del cual no es posible garantizar el aislamiento de dicho material.
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10SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA
- Sobretensiones externas : originadas por causas ajenas a la topología de la propia red
(fundamentalmente las provocadas por descargas atmosféricas en la red, en su
aparamenta o inducidas por la caída de rayos en zonas cercanas a ella).
El origen de la sobretensión no es determinante respecto a la severidad de la misma, ni
para el dimensionamiento de las protecciones asociadas. Así, la clasificación más aceptada
actualmente distingue tres tipos de sobretensiones, atendiendo a su forma de onda y duración
[1]:
- Sobretensiones temporales : A este grupo pertenecen las sobretensiones de larga
duración (hasta varios segundos), poco amortiguadas y de frecuencia similar a la de
operación. Las sobretensiones temporales suelen ser de origen interno, estando
frecuentemente originadas por cortocircuitos en la red.
- Sobretensiones de maniobra : Son de corta duración (varios milisegundos),
fuertemente amortiguadas, y cuya frecuencia oscila entre 2 y 10 kHz [2]. Maniobras
con la aparamenta de la red pueden producir sobretensiones cuyas características
correspondan a este grupo, aunque en ocasiones también pueden aparecer
transitoriamente por cortocircuitos en el sistema de potencia.
- Sobretensiones atmosféricas : Son las de menor duración (varios microsegundos), y
normalmente llevan asociadas picos de tensión varias veces superior al máximo de
la red. Las descargas de rayos en el sistema o en las proximidades del mismo suelen
provocar la aparición de sobretensiones atmosféricas.
El origen de la sobretensión no siempre va asociado a una forma determinada de la
misma. Las de origen interno provocadas por cortocircuitos en la red, suelen derivar en
sobretensiones temporales, pudiendo clasificarse transitoriamente como de maniobra. Las
operaciones de energización y desenergización de líneas, así como la conexión de baterías de
condensadores en la red, están asociadas a la aparición de sobretensiones de maniobra.
Finalmente, las sobretensiones atmosféricas suelen estar originadas por descargas de origen
externo.
1 [?] F. Crespo, “Sobretensiones en Redes de Alta Tensión”, Asinel 1975.
2 [?] J. A. Martínez Velasco, Santiago Bogarra Rodríquez (ETSEIB-UPC),
“Sobretensiones en Redes de Distribución.”, V Jornadas Internacionales de Aislamiento
Eléctrico (1995).
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11CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
Todos los equipos que forman el sistema de potencia tienen definido un nivel de
aislamiento, que representa el valor de la mayor tensión de pico que son capaces de soportar
sin ruptura de su aislamiento eléctrico. El valor del nivel de aislamiento depende de la forma
de onda de la sobretensión soportada, y por tanto pueden definirse tres tipos de nivel de
aislamiento:
- PF [3]: Máxima tensión eficaz que el aislamiento es capaz de soportar para una
Tabla 1. Número de impactos por año y por cada 100 km en el conductor (conductores) más elevado de un a línea en función del nivel ceráunico, utilizando las fórmulas de Greenwood y otros autores
(respectivamente). b=6.7 m (dos hilos de tierra), h=26 m.
Si la parte más elevada de la línea corresponde a conductores de tierra, estos protegen a
los de fase según un ángulo de apantallamiento (,expresado en radianes), que es el formado
por la vertical desde el conductor de tierra y la línea que une el conductor de fase con el de
tierra:
Figura 6. Determinación del ángulo de apantallamiento del hilo de tierra.
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110 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
Para determinar el número total de rayos sobre una línea (torres, conductores de fase y
cables de tierra) en un año y por cada 100 km de longitud, Metz-Noblat propone una fórmula
empírica general, en función del número de impactos sobre el cable más elevado (N), el factor
ceráunico (Td), la separación entre conductores de exteriores (b) y el ángulo de
apantallamiento en radianes ():
(Ec. 15)
3 SOBRETENSIONES ORIGINADAS POR IMPACTO DE RAYO
Cuando un rayo cae en una línea o en las proximidades de esta, produce una
sobretensión en los conductores, que será inducida si el rayo no alcanza directamente una
fase. Esta sobretensión puede superar el nivel de aislamiento de la línea o de algún elemento
conectado, produciendo su contorneamiento [13]. A continuación se detallan los cálculos
necesarios para obtener la sobretensión producida por el impacto de un rayo.
3.1 CÁLCULO DE SOBRETENSIONES POR IMPACTOS DIRECTOS
Se denomina impacto directo cuando el rayo cae sobre cualquier elemento de la línea
(apoyo, conductor de tierra o conductor de fase). Aunque un rayo puede alcanzar cualquier
punto de la línea aérea, es posible clasificar la localización del impacto en dos tipos de puntos:
sobre un apoyo o en medio de un vano.
3.1.1 Impactos directos sobre el apoyo
El modelado del apoyo de una línea de potencia es equivalente a una línea de
transmisión igual en longitud a la altura del apoyo [Error: Reference source not found]. La
velocidad de en la línea de transmisión es el 85 % de la velocidad de la luz, y según el diseño
del apoyo su impedancia característica varía. Si el fabricante no proporcione la impedancia
característica de la torre, existen aproximaciones de la impedancia de la torre en función de
los parámetros geométricos de la misma. Las impedancias correspondientes a las diferentes
formas de los apoyos son [14]:
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Apoyo clase 1:
Figura 7. Apoyo de clase 1 y factores geométricos necesarios para aproximar la impedancia del mismo.
(Ec. 16)
Apoyo clase 2:
Figura 8. Apoyo de clase 2 y factores geométricos necesarios para aproximar la impedancia del mismo.
(Ec. 17)
(Ec. 18)
(Ec. 19)
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112 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
Apoyo clase 3:
Figura 9. Apoyo de clase 3 y factores geométricos necesarios para aproximar la impedancia del mismo.
(Ec. 20)
Cuando el impacto se produce en el apoyo, la impedancia efectiva equivalente
resultante (Figura 10) es el paralelo de la impedancia de dicho apoyo con el paralelo de las
impedancias correspondientes a las dos direcciones de propagación del conductor de tierra
(Figura 11).
Figura 10. Caída de un rayo sobre un apoyo.
Si denominamos como ZGW a la impedancia del conductor de tierra, y suponemos que
hay un único conductor de tierra entre los apoyos, al producirse el impacto la impedancia
equivalente Zeq será:
(Ec. 21)
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113CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
La impedancia ‘½ ZGW’ es el paralelo equivalente de las impedancias características a
ambos lados de las líneas de transmisión (conductor de tierra) conectadas en ese punto.
Figura 11. Circuito equivalente de la caída de un rayo sobre un apoyo.
Por ejemplo, una torre de 36 m de altura cuya impedancia característica es ZT = 140 ,
con un cable de tierra de impedancia característica ZGW = 640 , presentan en conjunto una
impedancia equivalente frente a un impacto directo sobre la torre de valor Zeq = 97.4 .
Conocida la impedancia equivalente Zeq, y considerando una determinada corriente de
rayo, el valor máximo de la tensión transmitida por los conductores de tierra así como la
tensión inducida en los conductores de fase son fácilmente calculables. Es decir, cuando el
impacto aparece en el apoyo, la onda de derivará a tierra por el apoyo y los conductores de
tierra, provocando una sobretensión inducida en los conductores de fase.
Una forma simple y precisa de calcular esta sobretensión es mediante simulación, que
permite tener en cuenta las sucesivas reflexiones que aparecen cuando la onda de corriente
llega a la base del apoyo, a un apoyo próximo al del impacto o a cualquier otro elemento de la
línea. Además el proceso de simulación resuelve eficazmente el problema de acoplamiento
entre fases, y entre fase y tierra.
3.1.2 Impactos directos en mitad del vano
En caso de que un rayo alcanzara un conductor en medio de un vano, su intensidad se
dividirá por igual en las dos direcciones. El valor de pico de la sobretensión alcanza un valor
que puede obtenerse de la expresión:
(Ec. 22)
siendo Z la impedancia característica de la línea e I el valor de pico de la onda de corriente del
rayo. Por ejemplo, para una línea aérea de 400 de impedancia característica, y 300 kV de
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114 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
nivel de aislamiento, aparece contorneamiento a partir de I = 1.5 kA. Como la probabilidad de
que la corriente inyectada por el rayo sea mayor de 1.5 kA es del 99%, si careciera de
protecciones adicionales, se produciría el contorneamiento del aislamiento. Además, el valor
más probable de corriente para un rayo de 20 kA, por lo que la sobretensión generada en este
caso es de:
V = 400 · 20kA / 2 = 4000 kV (en ausencia de protecciones).
3.2 CÁLCULO DE SOBRETENSIONES POR IMPACTOS INDIRECTOS
Impacto indirecto es aquel que ocurre en las proximidades de la línea, produciendo una
sobretensión inducida en la línea de magnitud suficiente como para ser considerado.
La sobretensión inducida en una línea aérea por un rayo indirecto es función del valor
de pico y la duración del frente de onda, la velocidad de propagación de la descarga, la altura
de la línea, la distancia perpendicular del punto de incidencia del rayo a la línea. Esta
sobretensión inducida puede llegar a ser superior al nivel de aislamiento de la línea, y causar
un contorneamiento.
La tensión máxima que es inducida por un rayo cercano a una línea aérea puede
aproximarse por la fórmula de Rusk [Error: Reference source not found]:
(Ec. 23)
donde ‘I’ la intensidad de pico del rayo, ‘h’ la altura máxima de la línea sobre tierra, ‘y’ la
distancia más cercana entre la línea y el rayo, ‘vo’ la velocidad de la luz en el vacío, ‘v’ la
velocidad de retorno del rayo. El valor de ‘Zo’ es de 30 , mientras que el valor de ‘v’ varía
entre 30000 y 150000 km/s.
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117CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
Capítulo 6
PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
1 APANTALLAMIENTO DE LÍNEAS AÉREAS
Apantallar las líneas aéreas [15] es la protección más básica de una línea de red contra
sobretensiones atmosféricas (tipo rayo). Consiste en apantallar su recorrido con uno o dos
cables de tierra que van de apoyo a apoyo por encima de los conductores de fase [16]. Es un
sistema caro, y requiere buenas tomas de tierra para evitar el cebado inverso [Error: Reference
source not found] (back-flashover), por lo que se suele emplear como medio auxiliar de los
demás sistemas de protección. Los cables de tierra están conectados a los apoyos, por lo que
tienen potencial nulo en condiciones normales. El objetivo de colocar estos conductores de
tierra es captar las caídas de rayos que, en otro caso, habrían terminado en los propios
conductores de fase. Esta protección puede extenderse a la totalidad de la línea de transmisión
o bien estar colocada en los primeros kilómetros junto a una subestación. Un aspecto muy
importante es la localización del conductor (o conductores) de tierra con respecto a los
conductores de fase. Para que sean efectivos, deben tener mayor facilidad de atracción de
caídas de rayo que los conductores de fase.
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118PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
2 EXPLOSOR AL AIRE (‘HORN-GAP’ O ‘ROD GAP’)
El primer dispositivo pararrayos aplicado fue el explosor al aire [Error: Reference
source not found], siendo empleado con dispositivo antipájaro en redes de media tensión
(especialmente durante los años setenta). Actualmente es utilizado como reserva auxiliar,
siendo sus principales desventajas las siguientes:
- Básicamente no disipan energía y provocan un cortocircuito en la red a tierra, pues
el arco eléctrico apenas opone impedancia a la corriente de descarga.
- Es impreciso, dependiendo de un ajuste muy crítico en un dispositivo ligero de
intemperie, sometido a variaciones de soportabilidad del aire por el contenido de
humedad, polaridad, contaminación, etc. Debido a estas variaciones el explosor es
difícil de ajustar, resultando pobre la protección aportada.
- Interrumpe el servicio al menos hasta el reenganche, y funde los fusibles del
circuito, que generalmente son más rápidos que el interruptor.
- En el caso en que el explosor deba proteger un transformador, la variación de
tensión respecto al tiempo que aparece durante el cebado puede provocar grandes
esfuerzos dicho transformador, pudiendo dañar las primeras espiras e incluso
transmitir el pico de corriente al secundario.
3 PARARRAYOS AUTOVALVULAR
Posteriormente, se desarrolló El dispositivo desarrollado posteriormente es el
descargador o pararrayos autovalvular [Error: Reference source not found]. Consiste en la
asociación de explosores y resistencias variables en serie, como muestra la Figura 12. Como
detalla Greenwood [17], estas resistencias están aisladas del circuito en condiciones normales,
siendo introducidas cuando se produce el cebado del explosor debido a una sobretensión. Por
tanto, el elemento resistente es diseñado desde el punto de vista de disipación de energía y
limitación de voltaje bajo estas condiciones, sin considerar el estado de no disparo del
explosor (ya que entonces la resistencia está aislada).
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Figura 12. Esquema del pararrayos autovalvular con explosor y varistor.
El material más utilizado actualmente como varistor es el óxido de zinc (ZnO), si bien
tradicionalmente ha sido muy utilizado el carburo de silicio (SiC). Debido a la elevada no-
linealidad de los varistores de ZnO es usual prescindir de los explosores en serie, lo que los
hace muy diferentes de los de SiC que precisan de la presencia de explosores. En este capítulo
sólo se considerarán los pararrayos autovalvulares de SiC (con explosores).
La tensión de cebado (sparkover voltage) [18] es aquella que causa el cebado de los
electrodos del pararrayos autovalvular (formación del arco en los explosores). La magnitud de
la tensión de cebado depende de su variación en el tiempo (forma de onda). Así, según el tipo
de onda se definen las tensiones de cebado al frente de onda (front of wave sparkover
voltage), tensión de cebado del 100% a la onda de choque (estándar lightning impulse
sparkover voltage), tensión de cebado al 50% de la onda de choque (average impulse
sparkover voltage), tensión máxima de cebado en la onda de choque por maniobra (switching
impulse sparkover voltage), tensión alterna de cebado (power frequency sparkover voltage).
La corriente de descarga de un pararrayos es la derivada a tierra cuando ocurre el
cebado, llamando tensión residual [19] a la que aparece entre los bornes del pararrayos
durante el paso de la corriente de descarga.
El principal problema asociado a los pararrayos autovalvulares de SiC radica en la
extinción del arco una vez finalizada la sobretensión, que en caso de no producirse radicaría
en la destrucción de las resistencias variables al seguir circulando a través de ellas la tensión
nominal de la red. Para evitar la destrucción de las resistencias de SiC en condiciones de
funcionamiento normal de la red, se colocan los explosores en serie con ellas, de forma que
sólo queden en paralelo con la red cuando exista una sobretensión que provoque el cebado del
arco en los explosores. Si no se destruyeran, no serían necesarios los explosores (caso de los
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120PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
varistores de ZnO). Por tanto, la función del explosor es reaccionar en caso de superarse los
valores de tensión definidos, derivar la intensidad que ha generado la sobretensión por medio
del arco y de las resistencias variables y, después del proceso de derivación, extinguir la
corriente residual originada por la tensión de servicio.
Figura 13. Determinación de las características de cebado.
Los modos de funcionamiento de los pararrayos autovalvulares de SiC son:
- Servicio normal: Los explosores de extinción del pararrayos soportan la tensión de
servicio. No fluye ninguna corriente a excepción de las de control (mA).
- Reacción y derivación: Si la tensión en el pararrayos sobrepasa la tensión de
reacción del explosor, el pararrayos reacciona, es decir, se presenta disrupción en los
lugares preestablecidos en los electrodos, y la resistencia variable del pararrayos
ofrece un camino entre los puntos de conexión. Debido a la reacción y derivación, la
tensión en el pararrayos se limita a valores no peligrosos.
- Extinción: La corriente residual es función de la tensión de servicio, estando su
valor limitado por la presencia de los varistores. Por acción de los explosores, su
extinción ocurre antes del primer paso de la corriente por cero.
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121CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
A diferencia de los explosores al aire, la actuación de los pararrayos autovalvulares de
SiC no provoca una caída en la tensión de la red, ni se observan contactos o arcos a tierra.
Todos los explosores de extinción están compuestos por uno o más grupos de electrodos
conectados en serie, dependiendo el número de electrodos de la tensión y de la capacidad de
extinción exigidas. Cada grupo contiene dos electrodos, cuya forma y separación determina a
la tensión de cebado.
Según el nivel de tensión o las condiciones de humedad y contaminación de la zona,
existen varios tipos de explosores:
a) Explosores planos: Han sido utilizado para baja y media tensión.
- Para baja tensión, suelen estar compuestos por dos electrodos con puntos de
reacción concéntricos en forma de anillo, para garantizar una distribución
homogénea del campo eléctrico.
Figura 14. Explosor plano para pararrayos de baja tensión.
- Para media tensión, los electrodos son redondos, de diámetro grande, ordenados uno
tras otro a pequeñas distancias, ofreciendo así mayor capacidad para el control
durante el cebado. La preionización obtenida por la forma característica del
electrodo, da como resultado tensiones de cebado bajas incluso con ondas de choque
de fuerte frente de onda.
Figura 15. Explosor plano para pararrayos de media tensión.
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122PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
Los explosores tienen abombamientos estampados para el cebado. El abombamiento
excéntrico y a la abertura de apagado situada al lado opuesto en el anillo
distanciador, permiten una rápida disminución del arco.
b) Explosores con soplado magnético: Han sido utilizados para alta tensión. Tras la
conducción, la corriente residual circula por una bobina de soplado, produciendo un
campo magnético cuyo efecto es llevar el arco de los puntos de cebado hacia una
cámara donde es alargado considerablemente. Cuando la tensión del arco alcanza el
valor de la tensión máxima de servicio, se extingue la corriente residual. Esto ocurre
mucho antes del siguiente paso por cero. El elemento de extinción de estos
explosores está formado por cámaras cerámicas permeables a los gases, y por una
bobina de soplado. No requieren el paso de corriente por cero. El soplado magnético
facilita la extinción del arco una vez ha concluido la sobretensión. Puesto que este
tipo de explosores absorbe una gran cantidad de la energía transformada en la
extinción, se les denomina explosores activos. Estas modificaciones permitieron
emplear resistencias de SiC de menor valor, reduciendo la tensión residual a un
nivel aceptablemente similar a la tensión de cebado, y a una corriente residual
mucho mayor [Error: Reference source not found]. Las necesidades de descargar
mayor energía provienen de la aparición de sobretensiones de maniobra peligrosas a
tensiones de red de 245 kV y superiores. El efecto del soplado magnético es tan
eficaz que el arco original se alarga de 50 a 100 veces con este sistema.
La necesidad de distribuir uniformemente la tensión de cebado entre los explosores de
la columna de un módulo y mantenerla dentro de los límites, condujo a introducir elementos
reguladores en los pararrayos de mayor responsabilidad (especialmente para tensiones a partir
de 245 kV), basados en resistencias de compensación no lineales, de impedancia mucho más
elevada que la de los bloques de SiC principales, y que forman el control óhmico de la
autoválvula.
Un segundo control es el relacionado con el apantallamiento contra influencias externas.
Los explosores en pararrayos no controlados se encuentran a un potencial libre, el cual se
regula según las capacitancias parciales. Variaciones del campo eléctrico en los alrededores
del pararrayos llevan consigo cambios incontrolables de la distribución de tensión en los
explosores. Para evitar en lo posible el efecto de estas capacidades de acople en la
distribución de tensión a lo largo de los explosores, se rodean con resistencias y
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123CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
condensadores cilíndricos (Figura 16), reduciendo el acoplamiento capacitivo directo de los
campos perturbadores externos significativamente, mediante un apantallamiento activo.
Figura 16. Pararrayos autovalvular de SiC con resistencias de control y condensadores de acople.
4 PARARRAYOS DE ÓXIDO DE ZINC (ZnO)
A mediados de los años ochenta aparecen por primera vez en el mercado nuevos
materiales cerámicos para una amplia gama de aplicaciones eléctricas y electrónicas. Dentro
de este grupo de materiales destacan los varistores de óxido de zinc (ZnO), semiconductores
cuya propiedad más relevante es la no-linealidad de su curva característica (corriente –
tensión alterna), que los hace muy útiles en la tecnología de los pararrayos.
Estos compuestos son fabricados a partir de la mezcla de polvo de ZnO con óxidos de
metales de transición (Bi, Sb, Mn, Co, etc.). Su procesamiento es, en líneas generales, el
convencional para los materiales cerámicos, es decir, mezcla, compactación y sintetización.
Las propiedades eléctricas que desarrollan estos materiales dependen de la composición de
partida, la calidad de los polvos (tamaño de las partículas y pureza de los mismos), así como
de las condiciones de fabricación.
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124PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
La propiedad eléctrica más importante la posibilidad de soportar corrientes de muy
distintas magnitudes en un estrecho rango de tensiones (la intensidad varía un factor de 1011
mientras que la tensión lo hace según un factor de 103).
Para las resistencias variables (varistores), la característica tensión-intensidad de la zona
no lineal viene expresada en general según la ecuación:
(Ec. 24)
donde ‘k’ depende del material y del proceso de fabricación, y es controlada por la geometría
del elemento, siendo directamente proporcional a la sección del elemento, e inversamente
proporcional a la longitud del mismo. Una medida de la no-linealidad entre corriente y tensión
es el coeficiente ‘‘ (coeficiente de no-linealidad), que depende del material. Para el SiC, este
factor está comprendido entre 2 < < 6, mientras que para el ZnO puede alcanzar valores
comprendidos entre 20 y 50. Por tanto, el ZnO presenta mayor no-linealidad que el SiC, como
puede observarse en la Figura 17.
Figura 17. Característica tensión-densidad de corriente para pararrayos de SiC con explosores y para pararrayos de ZnO sin explosores.
Al igual que el SiC, los varistores de ZnO están compuestos por materiales cristalinos.
El 90 % es ZnO, y el resto está constituido por otros óxidos. Existen tres regiones de
operación para los varistores de ZnO [20]:
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125CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
a) Región 1 : Predescarga o preruptura
A menudo es también denominada como zona óhmica, de fugas o de baja corriente, y
corresponde a la región de operación del varistor en ausencia de sobretensión. Es la zona de
trabajo del varistor mientras en la red se encuentre en condiciones normales de operación. La
corriente que circula a través del varistor en esta zona de operación se denomina corriente de
fuga. La resistividad del material depende de la temperatura con coeficiente negativo (mayor
temperatura, mayor corriente de fugas). A diferentes temperaturas corresponden diferentes
curvas. En esta zona la corriente de fuga es inferior a 10-5 A/mm2.
b) Región 2 : Región de Descarga, Ruptura o no lineal
En este segundo tramo de la curva tensión - corriente no existe dependencia respecto a
la temperatura, y su expresión es:
(Ec. 25)
donde ‘‘ es el coeficiente de no-linealidad, que varía entre 30 < < 50, I es la corriente de
descarga (I > 10-5 A/mm2 en la Región 2) y V es la tensión residual. En esta región grandes
aumentos de la corriente de descarga producen pequeños incrementos en la tensión residual.
Por tanto, a mayor coeficiente de no-linealidad, mayor será la protección (menor incremento
de tensión).
c) Región 3 : Alta descarga o alta corriente (uptum)
En esta zona la corriente crece muy rápidamente, a partir de 0.2 a 0.5 A/mm 2. La curva
característica I-V es de nuevo lineal, de forma similar a la de baja corriente.
La elevada no-linealidad de los varistores de ZnO permite poder prescindir de los
explosores. En ese caso, el pararrayos de ZnO debe soportar la tensión nominal del sistema
durante todo el tiempo. Debe tenerse en cuenta respecto a la corriente que deriva a tierra en
estas condiciones (que debe ser de miliamperios) y la energía que debe disipar. Esto
corresponde a la Región 1 (también llamada de predescarga) de la Figura 17. En esta zona la
temperatura afecta a la forma de la curva: para una tensión determinada, la corriente aumenta
con la temperatura. Trabajar a temperaturas elevadas implica que aumenta la energía a disipar,
incrementándose aún más la temperatura y, por tanto, el riesgo de la ruptura térmica que
supone la destrucción del elemento. Lo mismo sucede trabajando con voltajes muy elevados.
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126PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
Por ello, cada autoválvula tiene un valor máximo eficaz de tensión continua de operación por
encima del cual no está garantizado el correcto funcionamiento de la autoválvula.
También existen autoválvula de ZnO con explosores, cuyo nivel de protección se
reduce, mejorando la coordinación de aislamiento entre la autoválvula y el elemento a
proteger. En este caso, la distribución de voltaje entre el explosor y el varistor de ZnO viene
determinada por la capacidad entre los explosores, y la inherente al varistor. Además, se
asegura una estabilidad térmica incluso con un 10% menos de discos que el varistor sin
explosores. La presencia de los explosores hace que el varistor sólo actúe a partir del cebado
de los primeros, con las desventajas indicadas en el apartado anterior y, por esto, son poco
utilizadas en general.
El tipo de autoválvulas más utilizado actualmente es, debido a sus prestaciones y
simplicidad de fabricación, el de varistores de ZnO (sin explosores), y es al que nos
referiremos, cuyas ventajas frente a los tradicionales de carburo de silicio son [21]:
- Su coeficiente de no-linealidad es muy superior al del SiC, lo que simplifica
enormemente su construcción ya que permite prescindir de los explosores y de las
resistencias y condensadores en paralelo.
- Es posible conocer su estado de envejecimiento midiendo la corriente resistiva [22],
mientras que en los de SiC se requiere métodos sofisticados para conocer su estado.
- Presenta una tensión residual muy estable, puesto que la ausencia de explosores
elimina el carácter errático asociado al desgaste de estos.
- Ofrecen mayor seguridad de operación. Los pararrayos de ZnO en servicio
funcionan correctamente en caso de sobretensión, mientras que los de
ocasionalmente actúan incorrectamente [Error: Reference source not found].
- Permiten una disminución del riesgo de explosión. La complejidad funcional de los
pararrayos de SiC hace que puedan presentarse sobrepresiones en el interior de los
mismos, con el consiguiente peligro para los equipos que protegen o las personas.
Este riesgo es mucho menor en los pararrayos de ZnO.
En los años noventa aparecen pararrayos de ZnO con envolventes poliméricas, que
también están sustituyendo a las envolventes cerámicas empleadas anteriormente,
disminuyendo así los riesgos derivados de posibles explosiones debidas a sobrepresiones en el
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127CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
interior de los mismos y proporcionando mayor estabilidad a los varistores debido a la
ausencia de atmósfera en el interior de estos pararrayos.
Estas ventajas están haciendo que durante los últimos años, compañías eléctricas tan
importantes como EDF, ENEL, IBERDROLA hayan establecido campañas para sustituir
sistemáticamente los pararrayos de SiC por los de ZnO, aumentando de esta forma la
seguridad de su red.
5 EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN
La contaminación externa de los elementos aisladores, concretamente los cuerpos de
porcelana o poliméricos del aparellaje, implica un riesgo de cebado externo. Los pararrayos
tienen un riesgo adicional de cebado interno cuando son clásicos (SiC), y de calentamiento
cuando son de ZnO.
La humedad externa y a la conductividad incrementada por contaminación producen el
flujo de cierta corriente de fuga exterior. Esta corriente no es uniforme ni en el tiempo ni a lo
largo de la porcelana o la envolvente polimérica por dos causas:
- La corriente conduce a un secado irregular de la capa conductora, aumentando
localmente la resistividad con riesgo de contorneo parcial o cintilleo.
- La corriente fluye también por el interior del pararrayos por el acoplamiento
capacitivo entre el exterior y las partes activas del interior. Este flujo de corriente es
irregular, dependiendo del flujo exterior, siendo más importante cuando la
autoválvula tiene más de un cuerpo porque implica una conexión eléctrica entre
interior y exterior.
La secuencia de la transferencia de corriente es la siguiente:
1) Aparece una corriente exterior.
2) Secado de la capa conductora.
3) Aparece una corriente interior.
4) Vuelve a aparecer humedad sobre la capa conductora.
5) Vuelve a circular una corriente exterior.
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128PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
Esta secuencia es oscilante y sucesiva, y su efecto es una cierta condición de
permanente inestabilidad que recalienta el interior del pararrayos porque aplica sobre sus
elementos tensiones anormales. Este efecto basculante es muy distinto en las autoválvulas de
óxido de zinc y en las tradicionales (de SiC) porque la descarga de corriente en las de ZnO no
produce caída de tensión como sucede en los electrodos del pararrayos convencional. En los
pararrayos de SiC, hay una gran diferencia en el comportamiento de los clásicos y los de
electrodos activos, que se diseñaron atendiendo a su resistencia a este fenómeno.
La contaminación ha sido posiblemente la causa más importante de destrucción de los
pararrayos de media y alta tensión.
En todo el proceso se considera la red en condiciones normales, no las posibles
sobretensiones. No puede, en general, achacarse a los dos efectos simultáneamente la
destrucción de una autoválvula, si bien suele coincidir el fenómeno meteorológico de la lluvia
y la tormenta. Debe recordarse la característica negativa temperatura-conductividad del SiC y
del ZnO para comprender la sobrecarga térmica incremental de las autoválvulas en estas
condiciones
5.1 AUTOVÁLVULAS CLÁSICAS DE SiC
Las autoválvulas tradicionales de SiC tienden, por construcción, a repartir
uniformemente la tensión en los electrodos en serie por medio de resistencias de elevado
valor, no lineales, de modo que equilibran mejor la tensión frente a las influencias externas
inevitables como la contaminación externa, que altera la corriente en esas resistencias y
necesariamente en los electrodos.
A frecuencia de red el reparto de tensión estable está asegurado por las resistencias. En
las oscilaciones por contaminación tienen una influencia mucho mayor las capacidades entre
los electrodos y el exterior a través de la porcelana, de los electrodos entre sí, y de estos a
tierra
5.2 AUTOVÁLVULAS TRADICIONALES DE ELECTRODOS LIMITADORES
En las autoválvulas de SiC de electrodos activos, el campo magnético retardado efectivo
a frecuencia industrial es un equilibrador de corriente contra el cebado interno-externo muy
poderoso. Este sistema es mucho mejor que el anterior, pero la contaminación aumenta
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129CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.
inevitablemente y de modo no uniforme, la ionización interna, y disminuye la tensión de
cebado, incluido el cebado a tensión de red.
5.3 AUTOVÁLVULAS DE ZnO
En las autoválvulas de ZnO sin electrodos, apenas existe influencia capacitiva exterior,
porque la amortiguación de las corrientes diferenciales en la columna de discos de ZnO es
muy eficaz y los transitorios de cintilleo apenas tienen efecto sobre su comportamiento. El
único aspecto importante a considerar es el calentamiento debido a [23]:
- Acoplamiento capacitivo de los discos con la capa contaminada conductora exterior.
Como esta capacidad es pequeña, la sobrecarga también lo es.
- Comportamiento diferencial entre cuerpos de porcelana distintos, en los que la
corriente de drenaje, con una cierta alternancia, puede pasar del interior al exterior
y, simultáneamente, ser de un modo diferente en cada cuerpo de la autoválvula.
Esto se aplica a las autoválvulas de varios cuerpos, y sobrecarga la autoválvula
aumentando su temperatura. También hay que destacar la importancia de la uniformidad de
propiedades en las columnas de discos de óxido de zinc.
La experiencia frente a la contaminación de los pararrayos de ZnO sin electrodos ha
sido muy buena. El material no tiene envejecimiento dentro de sus márgenes de sobrecarga
(cualidad que no comparten las de SiC).
Estudios más detallados han sido realizados por Krystian [24], Izagirre [25], Portillo [26],
pudiéndose encontrar más información en las normas CEI [27] y UNE [28].
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PARTE III
DIMENSIONAMIENTO DE
AUTOVÁLVULAS
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 133SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Capítulo 7
DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA
SOBRETENSIONES
Antes de proceder al cálculo de sobretensiones y dimensionamiento de las protecciones,
es necesario conocer y comprender una gran cantidad de conceptos. En este capítulo aparecen
definidas de manera rigurosa y comentada las principales definiciones necesarias para su
cálculo. Además, se citan los diferentes nombres con que se suelen definir conceptos idénticos
según distintas bibliografías. También se comentan detalladamente las definiciones que dan
origen a confusiones o incluso a confundir conceptos distintos. Por tanto, es necesaria la
comprensión de los términos que aparecen en este capítulo para poder interpretar
correctamente los capítulos posteriores. De igual forma, puede servir de guía para otras
lecturas que dan por conocida la nomenclatura aquí definida.
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134 DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
1 DEFINICIONES GENERALES DE LA RED ELÉCTRICA
1.1 TENSIÓN NOMINAL DE UNA RED TRIFÁSICA
El artículo segundo del Reglamento de Líneas Aéreas de Alta Tensión (RAT) [29] define
como tensión nominal de una red trifásica al valor de la tensión eficaz entre fases por la cual
se denomina la red, y a la cual se refieren ciertas características de servicio de la red.
Las tensiones nominales normalizadas en el RAT, y la clasificación de las categorías de
las líneas según dicha tensión son las presentadas en la Tabla 2.
Categoría de la línea
Tensión nominal (kV)
3ª
36101520
2ª304566
1ª132220380
Tabla 2. Tensiones nominales normalizadas por el RAT.
Según el RAT, toda línea deberá pertenecer a uno de los niveles normalizados indicados
(no admitiendo valores intermedios), recomendando los niveles de tensión de 20, 66, 132, 220
y 380 kV.
1.2 TENSIÓN MÁS ELEVADA DE UNA RED TRIFÁSICA
La norma UNE 21-062 define tensión más elevada de una red trifásica al valor más
elevado de la tensión eficaz entre fases que puede presentarse en un instante y un punto
cualquiera de la red, en las condiciones normales de explotación. Este valor no tiene en cuenta
las variaciones transitorias (debidas, por ejemplo, a maniobras en la red), ni las variaciones
temporales de la tensión debidas a condiciones anormales de la red (por ejemplo, las debidas a
averías o a desconexiones bruscas de cargas importantes). Esta definición coincide con la del
Art. 2º del RAT [Error: Reference source not found]. Las tensiones más elevadas indicadas en
el RAT son las indicadas en la Tabla 3.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 135SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Categoría de la línea
Tensión nominal (kVrms)
Tensión más elevada (kVrms)
3ª
36101520
3,67,212
17,524
2ª304566
3652
72,7
1ª132220380
145245420
Tabla 3. Tensiones más elevadas para una red eléctrica normalizadas.
1.3 TENSIÓN MÁS ELEVADA PARA EL MATERIAL: Um
La tensión más elevada para el material es el valor más elevado de la tensión eficaz
entre fases para el que el material está especificado en lo que respecta a su aislamiento, así
como a otras características relacionadas con esta tensión en las normas propuestas para cada
material.
El valor de tensión más elevada del material para una red será, al menos, el de la tensión
máxima de la red en la que está instalada. Así, el valor mínimo de la tensión más elevada para
el material coincide con el valor de la tensión más elevada de la red. El Art. 2 del RAT [Error:
Reference source not found] indica los valores normalizados tanto de tensiones nominales
para redes eléctricas como las correspondientes tensiones más elevadas, que coinciden con los
valores mínimos de Um.
La Norma UNE 21-062 indica otros valores normalizados para la tensión más elevada
para el material, de forma que se consideran valores de tensiones máximas normalizadas para
el material las siguientes: 3.6, 7.2, 12, 17.5, 24, 36, 52, 72.7, 123, 145, 170, 245, 300, 362,
420, 525 y 765 kV. La tensión más elevada para el material de una red deberá ser un valor
normalizado igual o superior al valor normalizado de tensión máxima de la red
correspondiente al valor nominal de la misma.
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136 DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
1.4 NIVEL DE AISLAMIENTO
El Art. 24 del RAT [Error: Reference source not found] define el nivel de aislamiento
como las tensiones soportadas bajo lluvia, a 50 Hz, durante un minuto y con onda de impulso
de 1.2/50 s (según las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional, CEI).
Se puede clasificar el nivel de aislamiento para los tres tipos de sobretensiones citadas,
definiendo [Error: Reference source not found] [Error: Reference source not found]:
1) BIL (Basic Lightning Insulation Level): máxima tensión de pico soportada por el
elemento con onda de impulso 1.2/50 s, siendo indicativo del nivel de aislamiento
del aparato frente a sobretensiones atmosféricas (tipo rayo).
2) BSL (Basic Switching Impulse Insulation Level): máxima tensión de pico que
soporta con onda de impulso 250/2500 s, siendo indicativo del nivel de aislamiento
del aparato frente a sobretensiones de maniobra.
3) PF (Aislamiento frente a sobretensiones de frecuencia industrial): máxima tensión
eficaz que soporta ante una onda sinusoidal de 50 Hz, siendo indicativo del nivel de
aislamiento del aparato frente a sobretensiones temporales.
Los niveles de aislamiento mínimos que exige el Art. 24 del RAT, correspondientes a la
tensión más elevada del material, son las indicadas en la Tabla 4.
Los niveles de aislamiento mínimos indicados por la Norma UNE 21-062 para algunos
niveles de tensión son inferiores a los indicados por el RAT. Por tanto, cumplir con la Norma
UNE no implica que se está cumpliendo también el RAT. Por ejemplo, si la tensión más
elevada es de 7.2 kV, UNE recomienda un valor mínimo de tensión soportada a frecuencia
industrial de 20 kV, mientras que el RAT exige al menos 22kV.
Sin embargo, mientras que el RAT indica los valores mínimos que deben exigirse, UNE
también determina otros valores nominales superiores. Además. UNE considera el nivel de
aislamiento para ondas de tensión tipo maniobra a partir de 400 kV. De esta forma,
considerando los valores mínimos del RAT y los valores normalizados de UNE, es posible
cumplir ambas normas simultáneamente utilizando los valores de la Tabla 5.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 137SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Utilizando la Tabla 5 queda garantizado el cumplimiento del RAT y a la vez se utilizan
valores normalizados tanto por UNE como por el propio RAT. Las celdas en blanco indican
que no existe ningún valor normalizado, no tiene sentido la configuración del neutro para ese
nivel de tensión, o bien no es significativo (según UNE o RAT) dicho nivel de aislamiento.
Um (valor eficaz)
Tensión soportada nominal a los
impulsos tipo rayo: BIL
(valor de cresta)
Tensión soportada nominal a frecuencia
industrial de corta duración:
(valor eficaz)kV kV kV3.6 45 167.2 60 2212 75 28
17.5 95 3824 125 5036 170 7052 250 95
72,5 325 140Neutro a
tierraNeutro aislado
Neutro a tierra
Neutro aislado
100 380 450 150 185123 450 550 185 230145 550 650 230 275170 650 750 275 325245 900 1050 395 460420 1550 680Tabla 4. Niveles de aislamiento mínimos según el RAT.
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138 DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
Um (valor eficaz)
Tensión soportada nominal a los
impulsos tipo rayo: BIL
(valor de cresta)
Tensión soportada nominal a frecuencia
industrial de corta duración:
(valor eficaz)
Tensión soportada nominal a los impulsos tipos maniobra: BSL
Tabla 5. Niveles de aislamiento normalizados según la tensión máxima del material.
1.5 FACTOR DE PUESTA A TIERRA PARA UNA RED TRIFÁSICA EN EL LUGAR DE LA INSTALACIÓN: e
El factor de puesta a tierra (coeficiente de puesta a tierra) es definido como la relación
entre la tensión eficaz más elevada a la frecuencia de la red entre una fase sana y tierra en ese
punto, durante un defecto a tierra (que afecte a una o más fases), y la tensión eficaz entre fases
más elevada a la frecuencia de la red que se obtendría en ese mismo punto no existiendo la
falta, expresada en % de esta última.
(Ec. 26)
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 139SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
siendo:
UE: Máxima tensión eficaz fase-tierra con cortocircuito.
Ub: Tensión eficaz fase-fase sin cortocircuito.
El factor de puesta a tierra se suele expresar en tanto por uno:
(expresado en tanto por uno) (Ec. 27)
1.6 COEFICIENTE DE DEFECTO A TIERRA O FACTOR DE FALLO A TIERRA DE UNA RED TRIFÁSICA EN EL PUNTO DE INSTALACIÓN: , Ke
El coeficiente de defecto a tierra en un lugar determinado de una red trifásica
(generalmente el punto de instalación del material) y para una configuración dada de la red, se
define por UNE 21-062 como el valor de la relación entre la tensión eficaz máxima a la
frecuencia de la red entre una fase perfectamente aislada y tierra durante un defecto a tierra
(que afecta a una o varias fases en un punto cualquiera de la red), y la tensión eficaz entre fase
y tierra a la frecuencia de la red que se obtendría en el punto considerado en ausencia del
defecto a tierra.
(en tanto por uno) (Ec. 28)
siendo:
UE: Máxima tensión eficaz fase-tierra con cortocircuito.
Ub: Tensión eficaz fase-fase sin cortocircuito.
Por tanto, coeficiente de defecto a tierra () es el producto de por el coeficiente de
puesta a tierra (e):
(Ec. 29)
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140 DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
1.7 RED CON NEUTRO AISLADO
Se denomina red con neutro aislado a aquella en la que no se ha conectado el neutro
(ninguno) intencionadamente a tierra; puede estarlo a través de dispositivos de protección,
medida o señalización de impedancia muy elevada.
El coeficiente de puesta a tierra (e) para redes con neutro aislado toma valores
comprendidos entre 1 y 1.1:
1 e 1.1 (Ec. 30)
1.1. RED CON NEUTRO A TIERRA
Se denomina red con neutro a tierra a aquella en la que el punto neutro (uno o varios)
está conectada a tierra, bien sea directamente o bien a través de una resistencia o reactancia de
valor suficientemente bajo, para reducir las oscilaciones transitorias y mejorar las condiciones
de servicio de la protección selectiva contra las faltas a tierra.
a) Red con neutro efectivamente puesto a tierra: está caracterizada por un coeficiente
de puesta a tierra como máximo del 80%:
e 0.8 (Ec. 31)
Podemos decir que una red está efectivamente puesta a tierra si se cumple que:
0 < X0 / X1 < 3 (Ec. 32)
0 < R0 / X1 < 1 (Ec. 33)
donde ‘R0’ es la resistencia secuencia homopolar de la red en el punto donde se calcula
el coeficiente. Además ‘X0’ y ‘X1’ son respectivamente la inductancia secuencia homopolar
y directa de la red en el punto donde se calcula el coeficiente
b) Red con neutro no efectivamente puesto a tierra: caracterizada por un coeficiente de
puesta a tierra que puede ser superior al 80%:
0.8 < e 1 (Ec. 34)
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 141SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
2 CARACTERÍSTICAS DE LOS PARARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS SIN EXPLOSORES INTERNOS
2.1 TENSIÓN NOMINAL, ASIGNADA O DE EXTINCIÓN (RATED VOLTAGE): Ur
La tensión nominal de una autoválvula es el valor máximo de la tensión eficaz a
frecuencia industrial admisible entre los bornes del pararrayos para el cual está diseñado que
puede funcionar correctamente bajo condiciones temporales de sobretensión, tal y como se
definen en los ensayos de funcionamiento descritos en CEI 99-4 (tensión a frecuencia
industrial durante 10 segundos, utilizada para verificar la estabilidad después de la aplicación
de los impulsos de corriente de gran amplitud o larga duración con motivo del ensayo de
funcionamiento).
La tensión nominal es utilizada como parámetro de referencia para las especificaciones;
de manera que la tensión a la frecuencia de servicio en el pararrayos no deberá ser, en ningún
momento, superior a la tensión de nominal, incluso en caso de averías en la red, puesto que
ello podría significar el fallo del pararrayos.
2.2 TENSIÓN CONTINUA DE OPERACIÓN O DE SERVICIO CONTINUO (CONTINUOUS OPERATING VOLTAGE, COV, MCOV): UC
La tensión de servicio continuo es el valor especificado admisible de la tensión eficaz a
frecuencia industrial que puede ser aplicada entre los terminales del pararrayos de forma
continua (permanentemente), cuya determinación al ensayo indicado en la Norma CEI 99-4.
Es habitual representar la tensión continua de operación como COV (Continuos Operating
Voltage) o MCOV (Maximum Continuos Operating Voltage).
El factor del fabricante es el valor en tanto por uno, y expresa el cociente entre la
tensión nominal del pararrayos y de la tensión de servicio continuo, esto es .
Normalmente, este valor es aproximadamente 0.8, y lo denominaremos como Uc (p.u.).
En la curva característica de una autoválvula de óxidos metálicos, destacan los dos
niveles de tensión mencionados: la tensión nominal (rated voltage) y la de operación (COV).
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142 DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
La Figura 18 muestra los principales niveles de tensión en la curva característica de una
autoválvula. La tensión de servicio continuo es inferior a la nominal, ya que el pararrayos
debe soportar continuamente una tensión inferior a la que habría entre sus bornes cuando
comenzara la descarga.
Figura 18. Curva característica tensión-intensidad de para pararrayos de ZnO.
La Figura 19 representa el nivel de sobretensión que soporta la autoválvula en función
de la duración de dicha sobretensión. El COV corresponde al máximo nivel de tensión que
soporta durante un tiempo infinito.
Figura 19. Sobretensión soportada (en tanto por uno de la tensión nominal) por una autoválvula de ZnO en función de la duración de dicha sobretensión.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 143SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
2.3 CORRIENTE DE DESCARGA
Se define corriente de descarga como la onda de corriente evacuada por el pararrayos
después de alcanzar la tensión a la que tiene lugar la avalancha de conducción.
2.4 CORRIENTE NOMINAL DE DESCARGA (NOMINAL DISCHARGE CURRENT): In
La corriente nominal de descarga [30] es el valor de cresta (en kA) de la onda
normalizada de corriente de descarga 8/20 s que puede ser conducida por el pararrayos en
número y progresión definidos (ver la Tabla 6) cuando se aplica la tensión nominal, y que no
causa una diferencia de tensión residual por encima del máximo permitido.
Norma
Valor de cresta de la corriente de
descarga (forma de onda 8/20)
kA
Clasificación del pararrayos
Número y sucesión de descargas
Posición y polaridad de las
corrientes de descarga
VDE5
10
5 kA
10 kA
20 descargas, separadas en 4
grupos de 5 descargas cada uno. Entre cada descarga
10 sg. Entre cada grupo de descargas 5
min.
60 º eléctricos antes del valor de
cresta, igual polaridad con la semiamplitud.
CEI, BS
1.5
2.5
5
10
1.5 kA
2.5 kA
5 kA
10 kA ‘light duty’
10 kA ‘heavy duty’
NF
2.5
5
10
2.5 kA
5 kA
10 kA ‘service non intensif’
10 kA ‘service intensif’
ANSI
1.5
5
10
15
20
‘secondary class’
‘distribution class’
‘intermediate class’
‘statation class’
‘station class’
‘station class’
24 descargas, con pausas inferiores a 1
min. entre ellas.
Polaridad constante
distribuida de manera específica
en la onda de tensión de 15º en
15º eléctricos.
Tabla 6. Prueba de trabajo para verificar la corriente de descarga y para clasificar los pararrayos según diferentes normas.
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144 DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
La corriente nominal de descarga es comprobada en la prueba de trabajo (operating duty
test, duty cycle test). El número y la secuencia de las corrientes de descarga se han fijado en
diferentes normas junto con las condiciones de la prueba.
La Tabla 6 resume las pruebas de trabajo que determinan la corriente nominal de los
pararrayos. Las principales normalizaciones son: VDE, CEI (equivalente a BS), NF, y ANSI,
siendo la ANSI la clasificación que recomiendan tanto UNE [31] como la normativa de las
principales empresas eléctricas en España. Aunque las clasificaciones son similares, no son
equivalentes entre sí, ya que los ensayos necesarios para su determinación tampoco lo son.
2.5 TENSIÓN RESIDUAL O DE DESCARGA (DISCHARGE VOLTAGE, RESIDUAL VOLTAGE): Ures
La tensión residual es el valor de cresta de la tensión entre bornes del pararrayos
durante el paso de la corriente de descarga.
Figura 20. Determinación de la tensión residual Ur para la corriente de descarga isn.
La Figura 20 muestra la forma de onda de la corriente nominal que circula por una
autoválvula, y la onda de tensión residual que aparece en los bornes de la misma. El valor
máximo de esta tensión corresponde a la tensión residual.
2.6 NIVEL DE PROTECCIÓN O TENSIÓN DE LIMITACIÓN (IMPULSE-PROTECTIVE LEVEL): Uberg
De acuerdo con la Norma UNE, los niveles de protección de un dispositivo de
protección (autoválvula de óxidos metálicos) son los valores de cresta de las tensiones más
elevadas admisibles en los bornes del dispositivo de protección, cuando está sometido
respectivamente a impulsos tipo maniobra o rayo, de formas normalizadas y de valores
nominales, bajo condiciones especificadas.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 145SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
La Norma no considera el caso de sobretensiones temporales por ser, en general,
despreciables frente a las de maniobra o tipo rayo, aunque sí considera la energía a disipar por
la autoválvula cuanto deba soportar una sobretensión temporal. Cuando la sobretensión
temporal es pequeña, y no alcanza niveles peligrosos cercanos a la tensión máxima del
material a frecuencia industrial, la autoválvula no la elimina, para lo cual existen otros
dispositivos. Sin embargo la autoválvula debe soportar dicha tensión, con el consiguiente
aumento de la corriente de pérdidas y, por tanto, de la energía a disipar. Pero si dicha
sobretensión alcanza valores similares a la tensión máxima para el material a frecuencia
industrial, es preciso comprobar que la autoválvula limita dicha tensión.
De esta forma, y para cada tipo de sobretensión, están definidos los siguientes niveles de
protección:
a) Sobretensiones atmosféricas:
El nivel de protección a impulsos tipo rayo de un pararrayos es la tensión residual (U res)
máxima para la corriente nominal de descarga (iN) .
b) Sobretensión de maniobra:
El nivel de protección frente a impulsos tipo maniobra de un pararrayos es la tensión
residual máxima con impulsos tipo maniobra normalizados. Los valores más usuales de
corriente para los que se calcula este nivel de protección son 0.5 kA hasta 145kV, 1 kA hasta
380 kV y 2kA hasta 800 kV de tensión del sistema.
c) Sobretensión temporal:
El nivel de protección a impulsos de larga duración de un pararrayos es la tensión
residual máxima a los impulsos de larga duración especificados. Aunque en los catálogos no
suele aparecer dicho valor, cuando la sobretensión temporal es considerable la
sobreintensidad que circula por el circuito es del orden de magnitud de las de tipo maniobra, y
podemos buscarla en dichos valores.
2.7 LÍNEA DE FUGA
La longitud de la línea de fuga mínima exigida para una autoválvula viene determinada
por el nivel de contaminación del lugar donde se desea colocar. Para cada nivel de
contaminación y características atmosféricas [1] recomienda un valor distinto de longitud de
línea de fuga:
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146 DEFINICIONES GENERALES PARA EL CÁLCULO DE PROTECCIONES CONTRA SOBRETENSIONES
Nivel de contaminación 2.7.1.1
2.7.1.2 Medio ambiente
Comportamiento de las líneas existentes
Línea de fuga /tensión máxima
Sin contaminación
apreciable
Zonas sin industria y con poca densidad de casas equipadas con instalaciones de calefacción; zonas con poca densidad de industrias o de casas pero sometidas a vientos o lluvias frecuentes. Todas estas zonas deben estar situadas lejos del mar o a gran altitud, y no deben en ningún caso estar expuestas a los vientos que provienen del mar.
No se observa ningún defecto por fuerte humedad (niebla, bruma, etc.) en las líneas a 145 kV incluso si están equipadas con menos de 9 ó 10 aisladores de tipo normal, ni en líneas de 245 kV si están equipadas con cadenas de menos de 15 aisladores.
20 a 25 mm/kV
Contaminación ligera
Zonas con industrias no productoras de humos particularmente contaminantes, con una densidad media de casas equipadas con calefacción; zonas con gran densidad de casas o de industrias, pero sometidas a vientos frecuentes o a lluvias; zonas expuestas al viento de mar, pero no muy próximos a la costa (distancias de al menos 1 km)
Se producen faltas en caso de niebla en líneas de 145 kV equipadas con menos de 9 ó 10 aisladores de tipo normal y en líneas de 245 kV equipadas con cadenas de menos de 15 aisladores.
30 a 35 mm/kV
Contaminación fuerte
Zonas con fuerte densidad de industrias y en las afueras de grandes ciudades con fuerte densidad de aparatos de calefacción contaminantes; zonas próximas al mar o en todo caso expuestas a un viento relativamente fuerte que proviene del mar.
Se producen faltas por niebla o cuando el viento proviene del mar, en líneas de alta tensión equipadas de aisladores de tipo normal, salvo si el número de unidades por cadena es excepcionalmente elevado: más de 11 ó 12 unidades en líneas de 145 kV y más de 18 unidades en líneas de 245 kV.
40 a 45 mm/kV
Contaminación muy fuerte
Zonas generalmente poco extensas sometidas a humos industriales produciendo depósitos conductores espesos; zonas generalmente poco extensas, muy próximas a la costa y expuestas a fuertes vientos contaminantes que provienen del mar.
Se producen faltas por niebla o durante tormentas salinas, en líneas de alta tensión equipadas de aisladores antipolución, salvo si el número de unidades por cadena es elevado: más de 11 ó 12 unidades antipolución en líneas de 145 kV y más de 18 unidades antipolución en líneas de 245 kV.
Más de 60 mm/kV
Tabla 7. Longitud de la línea de fuga mínima exigida en función del nivel de contaminación de la zona y del comportamiento de las líneas existentes.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 147SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Capítulo 8
DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS
Un pararrayos está correctamente seleccionado para proteger un elemento de la red en
un punto determinado de la misma, cuando dicho pararrayos es capaz de limitar el nivel de
sobretensión alcanzado por circunstancias no normales en el comportamiento de la red sin
deteriorarse, así como de restaurar las condiciones iniciales cuando dicha sobretensión cese.
La autoválvula actúa limita la tensión derivando a tierra a través de ella la sobreintensidad que
la genera. La autoválvula debe disipar toda esta energía a tierra sin que el elemento a proteger
presente en sus bornes un nivel de tensión superior al nivel de aislamiento permitido por el
mismo.
Estos dos criterios (limitación de tensión y disipación de energía) deben comprobarse
para los tres tipos de sobretensiones posibles:
- Atmosféricas (rayo)
- Maniobra (switching)
- Temporales (faltas a tierra)
Además, la autoválvula debe ser capaz de soportar la tensión máxima de la línea en
condiciones normales sin actuar y sin deteriorarse. Por ello, el primer criterio para la el
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148 DESARROLLO DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
dimensionamiento de la autoválvula es determinar la tensión máxima de operación (COV) de
la misma, que debe ser superior a la tensión máxima de la línea.
Otros aspectos a tener en cuenta son la longitud de la línea de fuga, la distancia de
protección, la temperatura de la zona, la conexión de los terminales, la presencia de hielo y
viento respecto a la resistencia mecánica de la autoválvula, consideraciones especiales en
zonas propensas a terremotos, efecto de la contaminación y el nivel de aislamiento de la
propia autoválvula.
1 SOBRETENSIONES TIPO RAYO
1.1 NIVEL DE PROTECCIÓN
El nivel de aislamiento de un aparato contra sobretensiones tipo rayo es una
característica del fabricante (BIL) e indica la máxima tensión admisible para una onda de ese
tipo sin que se deterioren sus aislamientos [32]. El RAT [Error: Reference source not found]
exige unos valores mínimos según el nivel de tensión de la red, que pueden ser considerados
cuando no se disponga de los datos del fabricante, que también deberá cumplirlos. Los valores
mínimos y normalizados están resumidos en la Tabla 5.
La autoválvula debe estar dimensionada para evitar que la línea alcance un valor de
tensión superior al nivel de aislamiento del elemento a proteger, y no debe permitir que dicho
valor sea superado para ningún valor de tensión residual.
Si el nivel de protección de la autoválvula es menor que el BIL del aparato a proteger,
con un factor de seguridad no inferior a 1.2, tal y como recomiendan Greenwood y ABB en
sus cursos de formación, se considera que la condición de nivel de aislamiento contra
sobretensiones tipo rayo se cumple.
1.2 DISIPACIÓN DE ENERGÍA
La autoválvula ha de ser capaz de disipar la energía que lleva la onda de sobretensión.
Las sobretensiones tipo rayo son las de mayor amplitud, pero su duración es muy pequeña,
siendo la energía a disipar por la autoválvula pequeña, en comparación con las otras
sobretensiones. Aunque generalmente este criterio no suele ser determinante para la elección
de la autoválvula, según el modelo elegido y la magnitud de la sobretensión atmosférica
considerada, pueden alcanzarse valores de energía que la autoválvula no sea capaz de disipar.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 149SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
La energía transportada por la onda de sobretensión es calculada integrando el área de la
misma, obteniendo así un valor de la energía en kJ. Este valor debe ser inferior a la máxima
energía que puede disipar la autoválvula, que constituye una característica del fabricante y es
expresada normalmente en kJ/kV nominales.
2 SOBRETENSIONES TIPO MANIOBRA (SWITCHING)
2.1 NIVEL DE PROTECCIÓN
El fabricante del elemento a proteger también debe indicarnos un nivel de aislamiento
ante sobretensiones tipo maniobra. En este caso, debemos comprobar que el valor de la
tensión residual ante sobretensiones tipo maniobra es inferior al nivel de aislamiento del
elemento a proteger (BSL) con un factor de seguridad no inferior a 1.2. Para ello, debemos
tomar el valor normalizado de onda tipo maniobra más similar a la corriente que se origina
por la maniobra más desfavorable, y comprobar que la sobretensión producida en bornes de la
autoválvula es menor que el BSL del aparato protegido teniendo en cuenta el factor de
seguridad arriba indicado.
2.2 DISIPACIÓN DE ENERGÍA
Al igual que en el caso anterior, podemos calcular la energía a disipar por la onda tipo
maniobra considerada para determinar la validez de la autoválvula. Este valor debe ser
inferior al máximo a disipar por la autoválvula.
3 SOBRETENSIONES TEMPORALES
3.1 NIVEL DE PROTECCIÓN
Al igual que sucede en los casos anteriores, el fabricante del elemento a proteger debe
dar el nivel de protección ante sobretensiones temporales, que corresponde al nivel de
aislamiento a frecuencia industrial del equipo. En el Ar. 25 del RAT [Error: Reference source
not found] son establecidos los niveles de aislamiento mínimos en función de la tensión más
elevada. Estos valores pueden considerarse como el nivel de aislamiento del equipo a proteger
en el caso de no disponer de dicha característica.
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150 DESARROLLO DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Para determinar el nivel de protección hay que determinar el valor de la mayor corriente
que puede ser generada por una sobretensión temporal. Para calcular la tensión residual que
habrá en bornes del pararrayos, consideramos la corriente normalizada tipo maniobra más
similar a la calculada, y la tensión residual correspondiente. Si este valor es menor que el
aislamiento máximo de la autoválvula con un factor de seguridad, se puede afirmar que la
autoválvula protegerá al aparato contra sobretensiones tipo maniobra.
Notar que aunque las formas de onda de sobretensión temporal y de maniobra son
distintas, lo que interesa es el valor de la corriente a derivar a tierra, ya que los pararrayos de
ZnO no tienen explosores (son resistencias variables, no teniendo sentido el cebado), por lo
que la tensión residual sólo depende de la corriente de descarga (y de la temperatura).
También se puede interpolar entre los valores de tensión residual proporcionados por el
fabricante para distintas corrientes de descarga.
Aunque el valor de la corriente de descarga para este tipo de sobretensiones es pequeño,
el nivel de aislamiento contra sobretensiones temporales de los aparatos suele ser mucho
menor que el de sobretensiones atmosféricas (BIL). Así, dependiendo del nivel de tensión y de
la tipología del circuito, esta comprobación puede llegar a ser determinante.
3.2 DISIPACIÓN DE ENERGÍA
Las sobretensiones de tipo maniobra, son las que mayor importancia tienen respecto al
sobrecalentamiento de la autoválvula. Aunque las sobretensiones alcanzadas son inferiores, la
duración de la falta suele ser lo suficientemente significativa como para decir que la energía a
disipar en este caso es mayor que en los anteriores tipos de sobretensiones. A partir del valor
máximo de sobretensión debido a una falta en la red, y la máxima duración de dicha falta,
debemos acudir a las gráficas del fabricante en las que indica la máxima tensión que soporta
en función de la duración de dicha sobretensión. Al valor de sobretensión máximo admisible
por la autoválvula para la duración de la falta indicada, se le denomina TOV de la autoválvula.
Si el valor del TOV es mayor que la sobretensión máxima de falta de la red, podremos decir
que la autoválvula sí soporta esta falta sin deteriorarse. En caso contrario, el modelo elegido
no será válido.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 151SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
4 PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE PARARRAYOS DE ZnO
4.1 DATOS DE PARTIDA
Para poder dimensionar el pararrayos necesario para proteger un equipo de la red, es
necesario conocer diversas características de ambos. Igualmente, el fabricante
proporciona un conjunto de características necesarias para su selección.
Características de la línea y elementos a proteger:
- Tensión nominal del sistema (kV eficaces de línea).
- Conexión del neutro del sistema: puede ser rígido (eficazmente) a tierra o no rígido
(no eficazmente) a tierra, y su coeficiente de defecto a tierra.
- Duración máxima de falta a tierra: máximo tiempo que puede durar un cortocircuito
fase-tierra.
- Nivel de aislamiento del equipo a proteger (BIL, BSL, PF).
- Corrientes características para rayo, maniobra y temporal.
- Máxima línea de fuga a tierra (o nivel de contaminación).
Características de la autoválvula:
- Tensión nominal de la autoválvula
- MCOV de la autoválvula.
- Corriente nominal de la autoválvula.
- Tensión residual nominal (de descarga) con onda de intensidad 8/20 para la corriente
nominal de descarga del mismo.
- Tensión residual para impulso de corriente tipo maniobra de (250/2500)
- Capacidad de disipación de energía (kJ/kV).
- Línea de fuga
4.2 CÁLCULO DE LA TENSIÓN NOMINAL O DE EXTINCIÓN DE LA AUTOVÁLVULA (RATED VOLTAGE): Ur
Para seleccionar un modelo de autoválvula, la primera característica del pararrayos a
determinar es el valor mínimo de la tensión nominal (Ur).
a) Criterio de la tensión continua de operación:
La tensión máxima por fase (Um / )de la red debe ser inferior a la tensión continua de
operación de la autoválvula (Uc).
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152 DESARROLLO DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
(Ec. 35)
Teniendo en cuenta que el factor del fabricante Uc (p.u.) es el cociente entre la tensión de
servicio continuo Uc y la tensión nominal del pararrayos Ur (Uc (p.u.) = Uc / Ur), resulta:
(Ec. 36)
que es la forma habitual de expresar este criterio. Además, como el valor de Uc (p.u.) es
generalmente cercano a 0.8, es el valor considerado en primera aproximación, aunque una vez
elegido el modelo de autoválvula es sustituido por su valor real.
b) Criterio del coeficiente de defecto a tierra:
La sobretensión temporal máxima que puede soportar la autoválvula es denominada
TOV cuando es expresada en tanto por uno de la tensión nominal de la autoválvula, y TOVe si
lo expresamos en kV:
(Ec. 37)
donde Um es el máximo valor de la tensión de servicio en el lugar del montaje (fase-fase), y
es el factor de falta a tierra.
Conocida la duración máxima de la falta a tierra, la gráfica característica de la
capacidad contra sobretensiones temporales (Figura 19) permite obtener el TOV de la
autoválvula. Por tanto, la tensión nominal de la autoválvula debe ser, al menos, el valor
resultante del cociente:
(Ec. 38)
donde al sustituir el valor de TOVe expresado por la ecuación (Ec. 146), obtenemos el valor
de la tensión nominal:
(Ec. 39)
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 153SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
A partir de la más restrictiva de estas dos condiciones, obtenemos un valor mínimo para
la tensión nominal de la autoválvula. Eligiendo como autoválvula aquella de tensión nominal
inmediatamente superior a ese valor mínimo, y a partir sus curvas de TOV y de su tensión
continua de operación, comprobaremos que efectivamente cumple con las dos condiciones
establecidas. Así, la tensión continua de operación es una característica del modelo elegido
ligada a su tensión nominal.
4.3 CORRIENTE NOMINAL DE DESCARGA: IN
Existen diversas recomendaciones prácticas para su elección.
a) Siemens [Error: Reference source not found], recomienda seleccionar la clase de la
autoválvula de la forma siguiente:
Clase
IsN
Rango de
tensiónAplicación
1 kA 4.5 a 36 kV
Protección de equipos sensibles (máquinas rotativas)
Amortiguar oscilaciones en el lado primario o secundario de
transformadores
5 kA
0.28 a 0.56 kV Líneas aéreas de baja tensión
1.2 a 36 kV Líneas aéreas de media tensión
1.2 a 24 kV Instalaciones interiores unidas a líneas aéreas mediante cables
10 kA
(light duty)
7.2 a 36 kV
Líneas aéreas de media tensión en zonas tormentosas
Ocasionalmente en líneas con postes de madera para protección de
elementos valiosos
42 kV Líneas aéreas
10 kA
(heavy duty)
12 a 500 kV
Proteger instalaciones de media y alta tensión:
- con fuertes sobretensiones atmosféricas
- con líneas aéreas sin cable de guarda
- con resistencia a tierra mayor de 10 en las torres
- con postes de madera no puestos a tierra
Tabla 8. Criterio de selección de la clase de pararrayos según Siemens.
En la Tabla 8 se resumen los criterios que Siemens recomienda para la selección de las
autoválvulas que fabrica. La selección está basada en el nivel tensión en el que debe trabajar
la autoválvula y el tipo de aplicación .
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154 DESARROLLO DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
b) Otras recomendaciones la ‘clase’ de la autoválvula se elige:
- 5kA para sistemas de 3 a 36 kV de tensión compuesta, en lugares no próximos a SET o
ETD.
- 10 kA para tensiones superiores a 36 kV, o inferiores si están próximas a SET o ETD
- 20 kA para lugares próximos a donde existan grandes potencias de cortocircuito.
Las recomendaciones mencionadas son de carácter general. Para determinar la clase
más conveniente en cada caso, hay que estudiar las sobretensiones atmosféricas que pueden
aparecer, calculando a partir de ellas la corriente que inyectan en la línea y que la autoválvula
debe ser capaz de derivar a tierra.
Para cada zona, disposición de conductores, tensión nominal, etc. existe una
probabilidad distinta de caída de rayo, y la intensidad de pico más probable también varía
según estas características. Por tanto, debemos calcular la curva de distribución de
probabilidades para una línea de características conocidas y considerar una corriente máxima
de manera que la probabilidad de que exista una sobreintensidad atmosférica de valor de pico
superior a ella sea lo menor posible.
4.4 ENERGÍA ABSORBIDA POR LA AUTOVÁLVULA
Las autoválvulas pueden actuar derivando distintos valores de intensidad a tierra
dependiendo de la duración de los mismos, estando limitadas por la potencia máxima que
puede disipar cada uno de los modelos.
4.4.1 Sobretensiones atmosféricas y de maniobra
Para comprobar que el pararrayos es capaz de disipar toda la energía que lleva la onda
de sobretensión atmosférica, debemos acudir de nuevo a la simulación. La autoválvula deriva
a tierra una intensidad con una diferencia de tensión entre sus bornes determinada. Simulando
el comportamiento de la autoválvula, podemos calcular el producto de ambas magnitudes y,
en definitiva, la energía máxima que deberá disipar la autoválvula. Dividiendo dicha energía
por la tensión nominal de la autoválvula (Ur), obtenemos el cociente de kJ/kV, cuyo valor
máximo viene determinada por la capacidad de los varistores de óxido de zinc. Si dicho valor
es menor que el indicado en las características de la autoválvula, el modelo elegido será
válido para este criterio. En caso contrario, se debe elegir un modelo superior y volver a
comenzar las comprobaciones.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 155SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
En caso de no conocer el valor característico de kJ/kV de la autoválvula, Greenwood [33]
recomienda utilizar los datos de la Tabla 9:
Tensión nominal (Ur) de la autoválvula
kJ/kV de tensión nominal
2.7 a 48 kV 4.054 a 360 kV 7.2
Tabla 9. Energía máxima que puede disipar una autoválvula de ZnO (valores característicos).
La norma CEI clasifica las autoválvulas según la energía que son capaces de disipar.
Las ‘clases’ de autoválvulas según la energía que es capaz de disipar son las que aparecen en
la Tabla 10.
Clase según CEI Energía (kJ/kVr)Clase 2 2.5
Clase 3 4.5
Clase 4 7.0
Clase 5 10
Tabla 10. Clasificación de las autoválvulas según CEI dependiendo de la energía que son capaces de disipar.
Según la normativa utilizada, las autoválvulas se clasifican según su corriente nominal
de descarga (ANSI) o según la energía que son capaces de disipar ante una forma de onda
normalizada (CEI [Error: Reference source not found]). A pesar de las diferencias entre
ambos métodos, y la confusión que suele generarse al ser utilizadas conjuntamente por
algunos fabricantes [Error: Reference source not found], Nigol establece una clasificación
común a los tests que ambas normativas proponen (Tabla 11).
Clasificación de corriente (kA)
Clasificación de energía (kJ/kVr)
5 410 815 1220 16
(25) (20)(30) (24)
Tabla 11. Clasificación común a ANSI y CEI, armonizando la correspondencia entre corriente nominal de descarga y capacidad de disipación de energía de la autoválvula.
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156 DESARROLLO DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Al igual que en el caso anterior, por simulación es posible determinar la energía que
debe disipar la autoválvula en el caso de sobretensión de maniobra en la red. Calculando el
cociente entre la energía máxima y la tensión nominal de la autoválvula, y comparando con el
valor máximo indicado por el fabricante, determinamos la validez del modelo seleccionado.
4.4.2 Sobretensiones temporales
Como ya ha sido indicado, el fabricante proporciona gráficas de la sobretensión
temporal máxima (TOV) que puede derivar el pararrayos en función de su duración, aunque
en algunos casos sólo se dispone de un par de puntos de dicha gráfica, que corresponde a la
sobretensión máxima durante 1 s y durante 10 s. Considerando para el modelo elegido su
gráfica de TOV admisible para la duración máxima de la falta, y el valor de la sobretensión
temporal máxima que podemos tener en el punto de la red donde deseamos instalar la
autoválvula, podemos deducir la duración máxima de la falta. Si el tiempo obtenido a partir de
la gráfica de TOV es inferior a la duración máxima de falta a tierra, debemos tomar un modelo
con tensión nominal mayor, de manera que pueda soportar la TOV al menos la duración
máxima de falta a tierra.
En el caso de disponer sólo de dos puntos de la gráfica, es posible interpolar, ya que
dicha gráfica es lineal en la escala logarítmica.
4.5 NIVEL DE PROTECCIÓN DEL PARARRAYOS (SP)
Determinados la clase del pararrayos y su tensión nominal, y después de haber
comprobado que soporta las sobretensiones que pueden aparecer en, es preciso verificar la
eficacia del pararrayos comparando el nivel de protección del mismo con la tensión de choque
soportada por los elementos a proteger.
El nivel de protección del pararrayos debe ser estimado para cada uno de los tipos de
sobretensiones en la forma que analizamos a continuación.
4.5.1 Nivel de protección a impulso tipo rayo (SPRayo)
El nivel de protección a impulsos tipo rayo de un pararrayos es la tensión residual (U res)
máxima para la corriente nominal de descarga (iN).
En este caso debemos comparar el nivel de protección con el nivel de protección ante
impulsos tipo rayo (BIL) del aparato a proteger. Los valores del BIL para los distintos tipos de
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 157SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
aparamenta están recogidos en ANSI C92.2-1976, aunque siempre se deben cumplir los
niveles mínimos y normalizados indicados en la Tabla 5.
Se define el ‘factor de seguridad’ (ks) como el cociente entre el BIL del aparato a
proteger, y el nivel de protección del pararrayos:
(Ec. 40)
Según la norma CEI 71-2 el valor mínimo del factor ks para el nivel de aislamiento ante
sobretensiones atmosféricas, en función de la tensión de servicio, es:
Mínimo ks
1 a 52 kV 1.4
52 a 300 kV 1.2
Más de 300 kV 1.25
Tabla 12. Factor de seguridad mínimo para el nivel de aislamiento ante sobretensiones atmosféricas.
4.5.2 Nivel de protección a impulso tipo maniobra (SPManiobra)
El efecto de sobretensiones por maniobras sólo podemos calcularlo a priori simulando la
red, y determinando las sobreintensidades que dichas maniobras generan en el lugar donde se
desea colocar la autoválvula. Una vez determinada dicha sobreintensidad, el nivel de
protección corresponde a la tensión residual para la sobreintensidad normalizada igual o
inmediatamente superior a la obtenida por simulación. En caso de no realizar simulaciones, es
usual considerar como sobreintensidad debida a maniobra los valores siguientes:
Tensión red SobreintensidadHasta 145 kV 0.5 kA
De 145 a 380 kV 1 kA
Más de 380 kV 2 kA
Tabla 13. Sobreintensidades de maniobra más usuales en función de la tensión nominal del sistema.
Con los valores obtenidos por simulación o a partir de la Tabla 13, determinamos la
tensión residual de la autoválvula en el catálogo del fabricante, que será el nivel de
aislamiento ante sobretensiones de tipo maniobra.
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158 DESARROLLO DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Finalmente, debemos comparar la tensión residual con el nivel de aislamiento ante
impulsos tipo maniobra (BSL) que caracteriza del equipo a proteger. Los valores del BSL
pueden encontrarse en ANSI C92.2-1976, debiendo cumplir en cualquier caso los mínimos
indicados en la Tabla 5.
Así, para impulsos tipo maniobra el factor de seguridad se define como:
(Ec. 41)
En este caso, los valores mínimos del factor de seguridad sólo están definidos por la
norma CEI 21-062-80 (I) para tensiones superiores a 300 kV, pero es posible extrapolarlo al
resto de niveles de tensión:
Mínimo ks
1 a 52 kV 1.15
52 a 300 kV 1.15
Más de 300 kV 1.15
Tabla 14. Factor de seguridad mínimo para el nivel de aislamiento ante sobretensiones de maniobra.
4.5.3 Nivel de protección ante sobretensión temporal (SPTemporal)
Las sobretensiones de tipo temporal no producen, normalmente, sobretensiones tan
elevadas como las de origen atmosférico o las de maniobra. Su duración es mayor que las
anteriores, resultando importante su consideración desde el punto de vista de la energía a
disipar por el pararrayos. Es igualmente necesario considerar el nivel de aislamiento de los
aparatos ante una sobretensión a frecuencia industrial, al ser mucho menor que ante una
sobretensión tipo rayo.
La autoválvula debe proteger al elemento contra sobretensiones temporales sólo cuando
estas alcancen un nivel de tensión similar al que producen las sobretensiones de maniobra, ya
que para pequeñas sobretensiones deben actuar los interruptores correspondientes. Para
determinar la corriente máxima en un punto del circuito debido a sobretensiones temporales
producidas en cualquier punto de la red, debemos simular el efecto de dichas sobretensiones
en la red. Con esta finalidad se ha desarrollado el programa informático CCRE (en Visual C+
+, para Windows 95), que determina los valores de tensión e intensidad generados al ocurrir
una falta en cualquier punto de la red. Si la corriente que aparece en la red debido a la falta es
del orden de 1 kA, deberemos comprobar que la autoválvula limite la sobretensión generada
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 159SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
al nivel de aislamiento del equipo a proteger. Estos niveles de aislamiento están igualmente
recogidos en la Tabla 5.
Respecto al factor de seguridad ante sobretensiones temporales, este queda definido
como el cociente entre el factor de aislamiento del elemento de la red a proteger y el nivel de
protección proporcionado por el pararrayos. Los valores mínimos de este factor de seguridad
para las diferentes tensiones de la red son los siguientes:
Mínimo ks1 a 52 kV 1.2
52 a 300 kV 1.2Más de 300 kV 1.2
Tabla 15. Factor de seguridad mínimo para el nivel de aislamiento ante sobretensiones temporales
Resumiendo, el factor de seguridad (ks) se define para cada tipo de sobretensión como el
cociente entre el nivel de aislamiento que precisa el aparato y el que proporciona el pararrayos
para cada tipo de sobretensión. Para cada una de ellas, el factor de seguridad tiene un valor
mínimo según el nivel de tensión de servicio:
4.5.3.1.1.1 Rayo
Maniobra Temporales
1 a 52 kV 1.4 1.15 1.2
52 a 300 kV 1.2 1.15 1.2
Más de 300 kV 1.25 1.15 1.2
Tabla 16. Factor de seguridad mínimo según el nivel de tensión máximo de la línea y del tipo de sobretensión a proteger por la autoválvula.
Si el factor de seguridad fuera en algún caso inferior al indicado en la tabla,
resolveremos eligiendo un modelo de autoválvula superior que sí verifique estos requisitos.
4.6 LÍNEA DE FUGA
Según las características de contaminación de la zona, existe una longitud mínima de
línea de fuga. El valor de la línea de fuga correspondiente al modelo de autoválvula elegida
debe ser mayor que la mínima exigida. La línea de fuga mínima exigida viene expresada por
la norma UNE en función de la contaminación del lugar donde se quiere colocar la
autoválvula.
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160 DESARROLLO DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
4.7 SELECCIÓN DEL MODELO FINAL
Es posible que existan varios modelos de autoválvulas de ZnO que cumplan todos los
criterios arriba indicados. Ahora habrá que seleccionar cuál de ellos se escoge. Para ello hay
que considerar:
- Los de menor tensión nominal serán los que menos holgadamente cumplan las
condiciones energéticas, pero más garanticen el nivel de aislamiento (menor tensión
residual).
- Los de mayor tensión nominal, corren menos peligro de explosión por energía a
disipar, pero el nivel de protección que proporciona es mucho más próximo al de
aislamiento del elemento a proteger que las de menor tensión nominal.
- Las de mayor línea de fuga tendrán un mayor costo, pero garantizarán mejor el
comportamiento en caso de estar en un nivel de contaminación mayor al considerado
en el dimensionamiento del pararrayos.
- En caso de que la tensión nominal de la red no coincida con el de la tensión de red
para la que el fabricante recomienda el pararrayos, y existen otros modelos que
también cumplen las condiciones del dimensionamiento y que el fabricante
recomienda utilizar para el nivel de tensión nominal de la red, podemos descartar los
primeros.
Por tanto, de todos los modelos que cumplen con los pasos indicados en el
dimensionamiento, elegiremos el que mejores condiciones ofrezca considerando los puntos
arriba indicados.
4.8 COMPARACIÓN CON OTROS MÉTODOS
El método de selección de autoválvulas desarrollado en este capítulo considera una serie
de criterios, algunos de los cuales coinciden con los métodos propuestos por otros autores. Sin
embargo, debido a la complejidad del tema, las normativas existentes no consideran todos los
criterios, siendo esta una de las principales aportaciones del Proyecto. El método desarrollado
es consecuencia del estudio de los criterios de selección existentes que, en general, no tienen
en cuenta todos los criterios necesarios y suele presentar una gran complejidad de estudio.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 161SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
En este apartado es comparado de una manera resumida el método propuesto con el
propuesto por normativas y fabricantes, comprobando que, en general, sólo se consideran una
parte de los criterios necesarios para su dimensionamiento.
En general, para comprobar la correcta selección de un modelo, deben comprobarse
siete criterios generales:
- Tensión continua de operación (COV)
- Nivel de protección ante sobretensiones atmosféricas
- Nivel de protección ante sobretensiones de maniobra
- Nivel de protección ante sobretensiones temporales
- Capacidad de disipación de energía ante sobretensiones atmosféricas
- Capacidad de disipación de energía ante sobretensiones de maniobra
- Capacidad de disipación de energía ante sobretensiones temporales
- Línea de fuga
Diversos métodos estudiados consideran, no siempre de manera clara, algunos de estos
criterios. La Tabla 17 resume los criterios que consideran algunos métodos de elección.
Normalización ERZ
Cursos Verano ABB [Error:Referencesource not
found]
Greenwood Método propuesto
Tensión continua operación X X X XNivel de
protección contra
sobretensiones
Atmosféricas X X X XManiobra X XTemporales X X
Disipación de energía
Atmosféricas XManiobra X X XTemporales X X X X
Línea de fuga X X X X
Tabla 17. Comparación de los criterios utilizados por diferentes métodos.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 163SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Capítulo 9
TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE
AUTOVÁLVULAS DE ZnO
La instalación del programa CYDARE debe realizarse en un PC compatible IBM,
disponible de Windows 3.1, Windows 95 o Windows NT, y Excel 5.0 o superior. El programa
sólo necesita 1.8 Mb de HD para su instalación. El programa CYDARE ha sido ejecutado en
Excel 5.0, Excel 7.0 y Excel 97 ejecutándose correctamente en todos los casos. La velocidad
de procesamiento de los datos depende del equipo disponible, del tipo de procesador y de la
memoria RAM que disponga. El tiempo necesario para realizar la selección automática entre
647 autoválvulas en un PC con procesador Pentium 90 MHz y 24 Mb de RAM es de 25 s.
Este capítulo es un tutorial del manejo del programa CYDARE, cuyas generalidades son
desarrollada en el Apéndice II. Para comenzar la ejecución del programa deberemos abrir el
directorio en el cual hayamos instalado el programa, y hacer un doble ‘clic’ sobre el icono del
programa CYDARE, que aparece en la Figura 21.
Figura 21. Icono de entrada del programa CYDARE desarrollado.
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164 TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
El tutorial detalla los pasos necesarios para dimensionar un caso práctico propuesto en
[34]. Seleccionaremos la autoválvula más adecuada para una red, teniendo en cuenta los
siguientes datos:
- Tensión nominal del sistema: 132 kV
- Conexión del pararrayos: fase – tierra
- Conexión del neutro: rígido a tierra
- Duración máxima falta a tierra: 1 seg.
- Nivel de aislamiento del equipo a proteger: 450 kV
- Clase de descarga (CEI): Clase 3 (4.5 kJ/kVr)
- Máxima línea de fuga a tierra: 25 mm/kV
1 INTRODUCCIÓN DE LOS DATOS DE LA RED
Una vez hemos hecho un doble ‘clic’ en el icono del programa (Figura 21), se ejecutará
el programa Excel en la versión que el usuario tenga instalada, apareciendo la pantalla de
introducción del programa CYDARE (Figura 22).
Figura 22. Pantalla de entrada al programa CYDARE.
En la pantalla de presentación aparecen las principales características del sistema que el
usuario disponga (sistema operativo, versión de Windows, directorio de trabajo, memoria
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 165SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
reservada, memoria usada y memoria disponible). Una vez aceptados las características del
programa, podemos comenzar la ejecución del programa, pulsando el botón ‘Comenzar sesión
CYDARE 98’. Al pulsar el botón, aparece la pantalla de presentación del programa y los
menús propios del mismo, de la forma mostrada en la Figura 23.
Figura 23. Pantalla de presentación del programa CYDARE.
Para introducir los datos de la red necesarios en la selección del modelo de autoválvula,
debemos seleccionar el menú ‘Cálculos – Datos de la red eléctrica’, tal y como se indica en
la Figura 24.
Las características de la red que debemos introducir son las detalladas en los apartados
siguientes.
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166 TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Figura 24. Menú de introducción de datos de la red en el programa CYDARE.
1.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
a) Tensión nominal de la red
Es la tensión nominal de la red eléctrica para la queremos realizar la selección de la
autoválvula. En el menú desplegable correspondiente podemos seleccionar las diferentes
tensiones nominales normalizadas por el RAT [Error: Reference source not found]. Para el
caso del ejemplo, debemos elegir la tensión nominal de 132 kV, apareciendo en la casilla
correspondiente a la ‘Tensión máxima del material’ el valor normalizado de dicha tensión
máxima (145 kV).
b) Conexión del neutro
En el menú desplegable correspondiente a la conexión del neutro de la red pueden
elegirse los tres tipos de configuraciones: neutro aislado, no rígido a tierra y rígido a tierra. De
acuerdo con los datos de la red, seleccionamos el ‘Neutro rígido a tierra’.
1.2 SOBRETENSIONES TEMPORALES
a) Factor de falta a tierra
El programa recomienda utilizar un factor de falta a tierra (Ke) de 1.4 en el caso de red
con neutro rígido a tierra. El modo de calcularlo, así como los valores típicos de dicho factor,
fueron detallados en el Capítulo 10 del Proyecto. El valor del factor de falta a tierra que
elegiremos, a falta de otros datos de la red, será también 1.4.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 167SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
b) Máxima falta a tierra
Partiendo del factor de falta a tierra y de la tensión máxima de la red, el programa
determina un valor de máxima sobretensión por falta a tierra, que en el caso del ejemplo es de
117.2 kV. Si se conociera la configuración de la red y las características de los elementos que
la componen, podríamos calcular de manera exacta el valor de la máxima falta a tierra,
mediante la utilización del programa CCRE, desarrollado también en el Proyecto. En este
caso, al no disponer de más características de la red, tomaremos directamente el valor
recomendado por el programa.
c) Duración máxima de falta a tierra
La duración máxima de la falta a tierra que puede aparecer en la red debido al tiempo
que tardan en actuar las protecciones es de 1 s.
1.3 CORRIENTE NOMINAL DE DESCARGA
El nivel de protección de la autoválvula debería ser comprobado a lo largo de todos los
puntos de la curva característica de la autoválvula y del equipo a proteger. En general, no
suelen estar disponibles ambas curvas características al completo, sino algunos puntos
característicos de la misma que describen su comportamiento ante sobretensiones de tipo
atmosférico, maniobra y temporales. Así, deberá comprobarse el nivel de protección de la
autoválvula respecto del equipo en los tres puntos indicados. Para ello, debemos determinar el
valor de la corriente que caracteriza cada una de las faltas.
a) Corriente nominal
Corresponde a las sobretensiones atmosféricas. La autoválvula que seleccionemos debe
tener una tensión residual para la corriente nominal inferior al BIL del equipo a proteger. El
valor de la corriente nominal de la autoválvula es, de las tres corrientes de descarga de los
diferentes tipos de sobretensiones, el más extendido, y define el tipo de autoválvula. El valor
recomendado para el nivel de tensión del sistema es de 20 kA, que será el que seleccionemos
en el desplegable correspondiente.
b) Corriente máxima por maniobra
Es el valor característico de la corriente correspondiente a formas de onda tipo maniobra
en la red estudiada. La tensión residual de la autoválvula debe ser inferior al BSL del equipo a
proteger cuando por ella circula la corriente máxima por maniobra. El valor recomendado
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168 TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
para el nivel de tensión de la red es de 0.5 kA, que será el que seleccionemos en el
desplegable.
c) Corriente máxima falta a tierra
La corriente máxima por falta a tierra corresponde a un valor de la curva característica
de la autoválvula que determina su comportamiento frente a sobretensiones temporales. El
valor eficaz de la tensión residual de la autoválvula en estas condiciones deberá ser inferior al
PF del equipo a proteger si la autoválvula está correctamente dimensionada. En general,
suelen existir otras protecciones en la red encargadas de limitar las faltas del sistema, por lo
que despreciaremos este punto a comprobar. Sin embargo, para niveles de tensión más
elevados, el valor de la corriente máxima de falta a tierra es del orden de las de maniobra, por
lo que también debe comprobarse en esos casos el nivel de protección de la autoválvula. En
este caso, no consideramos que la autoválvula deba proteger al equipo ante sobretensiones
temporales, por lo que elegiremos la opción ‘(ninguna)’ del menú desplegable
correspondiente. Aunque la finalidad de la autoválvula no es proteger al equipo ante este tipo
de sobretensiones, debe estar dimensionada para poder disipar la energía correspondiente
según su curva característica.
1.4 NIVEL DE AISLAMIENTO
En este apartado deben introducirse los distintos niveles de aislamiento del equipo al
que debe proteger la autoválvula para los diferentes tipos de sobretensiones, y estos son como
mínimo los valores normalizados por el RAT.
a) Atmosféricas (BIL)
El valor mínimo de nivel de aislamiento establecido por el RAT para redes de 145 kV de
tensión máxima es de 550 kV. En este caso, el equipo a proteger no cumple el Reglamento, ya
que su nivel de aislamiento para sobretensiones atmosféricas es de 450 kV, que será el valor
que introduzcamos en la casilla correspondiente.
b) Maniobra (BSL)
El RAT exige un nivel de aislamiento de los equipos ante sobretensiones de maniobra
(BSL) de 440 kV para redes de 145 kV de tensión máxima. Como el enunciado no establece el
BSL del equipo, seleccionaremos el mínimo exigido (440 kV).
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 169SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
c) Temporales (PF)
Tampoco en este caso el enunciado proporciona el nivel de aislamiento del equipo a
proteger, por lo que seleccionaremos el mínimo exigido en el RAT, que es 230 kVef.
1.5 LÍNEA DE FUGA
Según el nivel de contaminación de la zona, el programa recomienda un valor de línea
de fuga mínimo de acuerdo con la normativa de. En el ejemplo propuesto, la línea de fuga
mínima exigida es de 25 mm/kV, que será el valor que introduzcamos en el programa. El
nivel de contaminación sólo es necesario si queremos que el programa nos oriente en nuestra
decisión.
1.6 ENERGÍA DE LA SOBRETENSIÓN
Finalmente, necesitamos conocer los valores de energía que deberá disipar la
autoválvula en caso de sobretensiones atmosféricas, de maniobra y temporales, siendo el
mayor de ellos el determinante. Normalmente, la energía correspondiente a sobretensiones
temporales es superior al de las atmosféricas y de maniobra, fundamentalmente por la corta
duración de las últimas. La energía de las sobretensiones temporales no necesita ser calculada,
ya que el programa considera la tensión máxima por falta a tierra y la duración máxima de la
misma.
En un correcto dimensionamiento, la energía a disipar debe ser calculada por
simulación, tanto para sobretensiones atmosféricas como de maniobra. En el caso propuesto la
autoválvula deberá disipar 4.5 kJ/kVr. El programa admite dos formas de considerar la
energía que debe disipar la autoválvula: seleccionar directamente la clase de autoválvula que
queremos considerar según CEI (ver Tabla 10) e introducir directamente la energía en kJ. En
este caso, al exigirse un valor de energía a disipar por kV nominal de la autoválvula,
seleccionamos una Clase 3 correspondiente a este valor.
Por tanto, una vez introducidos los datos en las casillas correspondientes, la pantalla que
deberá presentar el programa es la indicada en la Figura 25.
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170 TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Figura 25. Datos correspondientes al ejemplo de dimensionamiento de autoválvulas del programa CYDARE.
2 SELECCIÓN AUTOMÁTICA
Una vez introducidos los datos correspondientes a la red eléctrica del ejemplo, el
programa puede realizar una selección automática de las autoválvulas capaces de proteger
correctamente el equipo en dicha red. Para ello, seleccionamos el menú ‘Cálculos – Selección
automática’ como se indica en la Figura 26.
Figura 26. Menú de selección automática de autoválvulas del programa CYDARE.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 171SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Antes de comenzar la elección, el usuario puede elegir los criterios de ordenación de las
autoválvulas resultantes. Los criterios por defecto son la tensión recomendada por el
fabricante, tensión nominal y línea de fuga. Así, la primera autoválvula de la lista resultante
será la de menor tensión recomendada, menor tensión nominal y menor línea de fuga que
cumple con todas las condiciones que determinan la validez de la autoválvula en la red
considerada, protegiendo el equipo y no peligrando su integridad por la energía que deba
disipar. En general es recomendable utilizar los criterios por defecto, seleccionando la casilla
correspondiente del cuadro de diálogo de la Figura 27, que es presentado antes de realizar la
selección automática.
Figura 27. Criterios de ordenación en la selección automática del programa CYDARE.
En la Figura 28 mostramos el listado de las autoválvulas admisibles. La primera
autoválvula de la lista corresponde al modelo de ABB EXLIM Q108-AH145 (recomendada
para 145 kV de tensión máxima de la red, y cuya tensión nominal es de 108 kV). El resultado
es coincidente con la solución que el propio fabricante da para este caso [Error: Reference
source not found]. Conviene aclarar que, aunque el método propuesto por el fabricante (ABB)
para selección de autoválvulas llega, en este caso, al mismo resultado que el programa, los
criterios que tiene en cuenta son menos restrictivos que los considerados en el programa
CYDARE. Así, el método del fabricante sólo considera el nivel de protección ante
sobretensiones atmosféricas ni temporales, y no calcula la energía que debe disipar la
autoválvula, sino que determina la clase de la misma sin los criterios que conducen a dicha
elección.
Observamos que existen, además, otros tres modelos que también podrían seleccionarse.
El segundo (EXLIM Q108-AH145) sólo difiere del primero en que su línea de fuga es de
mayor longitud. Los modelos EXLIM Q120-AH145 y EXLIM Q120-AV145 tienen tensiones
nominales de 120 kV, por lo que aparecen en las posiciones finales de la lista.
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. MIGUEL GARCÍA-GRACIA. DTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA. U. ZARAGOZA.
172 TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Figura 28. Listado de las autoválvulas admisibles en el ejemplo de CYDARE.
Desde esta pantalla el usuario dispone de dos nuevas opciones (además de seguir
disponiendo de las de los distintos menús):
a) Ordenar : consiste en volver a realizar la selección modificando los criterios de
ordenación de las autoválvulas resultantes.
b) Consultar : situando el cursor sobre el nombre de la ‘Denominación’ de la
autoválvula que el usuario elija, es posible comprobar el cumplimiento de los
diferentes criterios exigidos y el factor de seguridad de cada uno de ellos. Una vez
situados sobre el modelo, pulsamos el botón de ‘Consultar...’. Es equivalente a
elegir la opción del menú ‘Cálculos – Selección manual’ y seleccionar
posteriormente el modelo que queramos.
3 SELECCIÓN MANUAL
A esta parte del programa se puede acceder desde el menú ‘Cálculos - Selección
manual’ o pulsando el botón ‘Consultar...’ tras realizar una selección automática. La
denominación de las autoválvulas corresponde a la tensión nominal de la misma y al modelo
general al que pertenece. Entre paréntesis queda especificada la tensión recomendada por el
fabricante. Si escogemos la autoválvula ‘108 kV EXLIM Q-A (H 145 kV)’, aparecen
automáticamente todos los criterios que cumple el modelo y la validez del mismo, tal y como
muestra la Figura 29.
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. MIGUEL GARCÍA-GRACIA. DTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA. U. ZARAGOZA.
CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 173SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Figura 29. Criterios de selección manual de la autoválvula EXLIM Q108 – AH145.
3.1 MODELO DE AUTOVÁLVULA
En primer lugar, aparece la tensión máxima para la que el fabricante recomienda el
modelo, y la tensión nominal del mismo. En caso de desconocer alguna definición, al poner el
cursor sobre cualquier celda del programa en la que aparezca un triángulo rojo, aparecerá un
cuadro desplegable con la explicación de dicho término. Así, situando el cursor sobre la celda
de la tensión nominal, aparece en pantalla el cuadro con su definición de la forma indicada en
la Figura 30. Para poder visualizar la ayuda contextual, la versión debemos utilizar la versión
de EXCEL 7.0 ó superior.
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174 TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Figura 30. Ayuda contextual al situar el cursor sobre las celdas marcadas con un triángulo rojo en la parte superior derecha de las mismas.
3.2 TENSIÓN CONTINUA
En esta sección comprobamos que la tensión máxima por fase de la red es inferior a la
tensión que puede soportar la autoválvula continuamente en cuanto a la energía que debe
disipar. Es este caso, el COV de la autoválvula es 86 kV, que es superior a la tensión máxima
por fase de la red, que es de 83.7 kV.
3.3 ENERGÍA A DISIPAR
Debe comprobarse si la autoválvula es capaz de disipar la energía necesaria frente a los
tres tipos de sobretensiones. Las sobretensiones temporales se comprueban mediante el TOV
máximo que admite la autoválvula durante 1 s. La autoválvula puede disipar la energía que
transporta durante 1 s una sobretensión de hasta 125.28 kV. En este caso, la sobretensión
máxima es de 117.2 kV, por lo que la elección del modelo es correcta respecto a esta
característica. Respecto a las sobretensiones temporales y atmosféricas, la autoválvula es
capaz de disipar hasta 4.5 kJ/kVr, por lo que cumple las especificaciones del problema.
3.4 LÍNEA DE FUGA
La línea de fuga exigida a la autoválvula es de 3625 mm, que coincide con la del
modelo elegido, cumpliendo también con esta restricción. Notar que las longitudes de las
líneas de fuga de los modelos pueden coincidir exactamente con los exigidos, debido a que los
valores de la línea de fuga están normalizados.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 175SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
3.5 NIVEL DE PROTECCIÓN
La tensión residual de la autoválvula ante los tres tipos de sobretensiones debe ser
inferior a los niveles de aislamiento del equipo a proteger:
a) Contra rayos : la tensión residual que presenta la autoválvula ante sobretensiones
tipo rayo de 20 kA es de 286 kV. El nivel de aislamiento del equipo es de 450 kV,
por lo que el factor de seguridad, obtenido como cociente entre el nivel de
aislamiento y la tensión residual de la autoválvula para la tensión nominal, es de
1.57 (el modelo es considerado válido si el factor de seguridad es superior a 1.4).
b) Contra maniobras : la tensión residual de la autoválvula ante una sobretensión tipo
maniobra de 0.5 kA es de 211 kV, inferior al nivel de aislamiento del equipo a
proteger. El factor de seguridad en este caso es de 2.09 (superior al mínimo exigido,
que en este caso también es 1.4).
c) Contra sobretensiones temporales : en los datos de la red habíamos seleccionado la
opción ‘(ninguno)’ en el desplegable de la corriente correspondiente a falta
temporal, porque en este caso la autoválvula no protege contra sobretensiones
temporales. Para que no se considere este caso, el programa toma como nulo el
nivel de protección de la autoválvula, de forma que el factor de seguridad es tan
elevado que el criterio siempre se cumpla.
3.6 CURVA CARACTERÍSTICA
La curva característica se calcula extrapolando los puntos tensión – intensidad
proporcionados por el fabricante de la misma. Seleccionando la curva de la autoválvula,
accedemos a otra pantalla en la que son presentadas las principales características que
proporciona de la misma, como se muestra en la Figura 31. Además, son calculadas las
constantes ‘p’ y ‘q’ que caracterizan el comportamiento exponencial de la autoválvula entre
los diferentes puntos de la curva que proporciona el fabricante, y que serán detallados en el
capítulo siguiente.
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176 TUTORIAL DEL PROGRAMA ‘CYDARE’ PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE AUTOVÁLVULAS DE ZNO
Figura 31. Características principales de la autoválvula EXLIM Q108-AH145.
Para volver a la pantalla correspondiente a la ‘Selección manual’ basta con volver a
seleccionar la gráfica.
4 OTROS MENÚS
Además de los menús propios del programa, existen otros menús generales propios de
Windows, como ‘Abrir’, ‘Guardar’, ‘Presentación preliminar’, ‘Ventana’ y otros, cuya
utilización es similar a la de cualquier otro programa de entorno Windows, por lo que no son
detallados.
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CURSO DE DOCTORADO: COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
PARTE IV
MODELADO Y
SIMULACIÓN DE
AUTOVÁLVULAS DE ZnO
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 179SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Capítulo 10
MODELADO DE AUTOVÁLVULAS
Una autoválvula es un elemento no lineal, cuya resistencia depende de la corriente que
circula a través de ella. La curva tensión-intensidad tiene una forma similar a la mostrada en
la Figura 18. El modelado de una autoválvula consiste en reproducir su curva característica
mediante elementos no lineales, con el fin de poder simular el comportamiento de dicha
autoválvula, a partir de las especificaciones básicas del fabricante.
5 MODELO GENERAL PARA AUTOVÁLVULAS DE ZnO
Modelizar una autoválvula consiste en reproducir su curva característica tensión-
intensidad. La curva característica de una autoválvula de óxidos metálicos se ha considerado
tradicionalmente como estática, no dependiente de la forma de onda ni de la pendiente del
frente. Según este criterio, el valor de la tensión residual depende únicamente de la corriente
que circula a través de la autoválvula, comportándose como una resistencia variable. En
general, una autoválvula de ZnO es asimilada a una resistencia no lineal, y la tensión residual
que presenta en bornes depende únicamente de la corriente que circula a través de ella.
Recientes investigaciones publicadas por IEEE Working Group 3.4.11 [35] han
determinado que para frentes de onda muy rápidos, la curva característica de una autoválvula
de ZnO varía. La tensión residual sí que depende, en este caso, de la forma de la onda de
corriente, además del valor de la misma. Aunque los primeros análisis de IEEE Working
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180 MODELADO DE AUTOVÁLVULAS
Group 3.4.11 estimaban que la tensión residual podía verse incrementada en un 12 % para
frentes de onda de gran pendiente (0.5 s), actualmente consideran que esta variación no
supera el 6%. En este sentido, han sido desarrollados diversos modelos [Error: Reference
source not found] [Error: Reference source not found] que considerar la característica
dinámica de las autoválvulas de óxidos metálicos, basados en utilizar dos o más resistencias
no lineales separados por filtros paso bajo.
Figura 32. Modelo de pararrayos de óxido metálico en dos tramos para frentes de onda cortos.
El modelo dinámico propuesto por IEEE Working Group 3.4.11 [Error: Reference
source not found] viene esquematizado en la Figura 32. La característica tensión-intensidad
del pararrayos es representada por dos resistencias no lineales, designadas como ‘i0(v0)’ e
‘i1(v1)’. Ambos elementos están separados por un filtro R-L, formado por ‘L1’ y ‘R1’. Para
sobretensiones con frente de onda lento, este filtro presenta una impedancia muy baja,
quedando las dos partes del modelo en paralelo. Para frentes de onda rápidos, la impedancia
del filtro R-L es significativa. El resultado es un aumento de la corriente que circula por la
resistencia variable ‘i0(v0)’. Dirbak [36] propone para el cálculo de la resistencia ‘R1’ y de la
inductancia ‘L1’ que forman el filtro los valores:
H (Ec. 42)
(Ec. 43)
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 181SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
donde ‘d’ es la altura del pararrayos en metros, y ‘n’ es el número de columnas de óxido
metálico en paralelo del pararrayos.
La inductancia ‘L0’ del modelo representa la inductancia asociada a los campos
magnéticos en las inmediaciones del pararrayos, la resistencia ‘R0’ es utilizada para estabilizar
la integración numérica que realiza el programa de simulación, y la capacidad ‘C’ es la
capacidad que presenta el pararrayos entre sus terminales. Los valores de estos elementos son
[Error: Reference source not found]:
H (Ec. 44)
(Ec. 45)
pF (Ec. 46)
Finalmente, los elementos no lineales ‘i0(v0)’ e ‘i1(v1)’ deben ser determinados a partir
de las curvas características estática y dinámica de la autoválvula a modelar.
La implementación de las dos curvas características conlleva la realización de tests en
laboratorios, ya que los fabricantes proporcionan únicamente valores característicos de la
curva estática. Además, las mejoras del modelo dinámico frente al estático sólo son
apreciables para frentes de onda de gran pendiente (tipo rayo), siendo el error presentado por
el modelo estático inferior al 6% en todos los casos [Error: Reference source not found]. El
escaso error cometido en el modelo al considerar exclusivamente la curva característica
estática es poco significativo. De esta forma, y debido a la dificultad de obtención de la curva
dinámica, el modelo a implementar es de la forma indicada en la Figura 33.
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182 MODELADO DE AUTOVÁLVULAS
Figura 33. Modelo de autoválvula sin considerar la curva v-i dinámica.
El principal aspecto del modelado de la autoválvula consiste en encontrar la expresión
de la resistencia variable para que su respuesta corresponda a la curva tensión-intensidad del
pararrayos. El resto de elementos del modelo (R0, L0 y C) representan inductancia asociada a
los campos magnéticos en las inmediaciones del pararrayos y la capacidad que presenta el
pararrayos entre sus terminales
La no-linealidad de la resistencia que presenta una autoválvula al paso de la corriente es
una función exponencial de la forma [37]:
(Ec. 47)
donde ‘vr’ es la tensión nominal de la autoválvula, ‘v’ e ‘i’ son respectivamente la tensión
residual y la intensidad que circula por la autoválvula, y ‘p’ y ‘q’ son constantes cuyo valor
depende del modelo real de la autoválvula. Debido a la dificultad de describir toda la región
con una sola función exponencial, la curva característica ha sido dividida en segmentos, cada
uno de ellos definido por su propia función exponencial. Para tensiones inferiores a la
nominal de la autoválvula (‘vr’) la corriente es extremadamente pequeña, utilizándose una
aproximación lineal para esta zona de la curva.
Para reproducir la curva característica de la autoválvula es necesario conocer los datos
proporcionados por los fabricantes, para introducirlos como parámetros en los diferentes
modelos. En todo catálogo de autoválvula de óxidos metálicos aparecen, entre otras, las
respuestas ante formas de onda tipo sobretensión de maniobra (switching) y tipo rayo (8/20
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 183SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
s). Para obtener la curva estática de las autoválvulas de óxidos metálicos, es necesario
conocer el valor de la corriente para la que se realizan los ensayos y la tensión residual que
aparece en bornes de la autoválvula, determinando así varios puntos de su curva característica.
Por ejemplo, la marca ABB proporciona para sus modelos EXLIM [38] [39] [40] al menos 5
puntos de su curva característica. Para los modelos del tipo P-A y P-B hoy disponen de hasta
7 puntos de la curva (3 para la zona de sobretensiones de maniobra y 4 para sobretensiones
atmosféricas), mejorando la precisión alcanzada con el modelo al aumentar el número de
puntos. Por ejemplo, para el modelo EXLIM P042-AH052 [Error: Reference source not found]
(42 kV de tensión nominal, y recomendada para una tensión de la red de 52 kV), su fabricante
(ABB) proporciona los puntos de su curva característica indicados en la Tabla 18. Los
valores de corriente inferior a 5 kA corresponden a ensayos tipo maniobra, y el resto a
ensayos con formas de onda tipo rayo.
Corriente Tensión residual1 kA 81.7 kV2 kA 84.6 kV3 kA 86.5 kV5 kA 91.3 kV
10 kA 96.6 kV20 kA 106 kV40 kA 116 kV
Tabla 18. Puntos de la curva característica de la autoválvula EXLIM P042-AH052.
Para un segmento de la curva característica de la autoválvula comprendido entre dos
puntos dos consecutivos de (I0,V0) y (I1,V1), las constantes ‘po’ y ‘qo’ (correspondientes a la
Ec. 156) son calculadas según:
(Ec. 48)
(Ec. 49)
Análogamente, para el resto de segmentos (correspondientes a los puntos de la Tabla
18), pueden obtenerse las constantes correspondientes al modelo EXLIM P042-AH052 de
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184 MODELADO DE AUTOVÁLVULAS
ABB. Los valores de las constantes ‘p’ y ‘q’ de cada tramo son mostrados en Tabla 19, donde
‘I0’ e ‘I1’ son los valores de intensidad entre los que se define el segmento.
Tabla 21. Constantes ‘p’ y ‘q’ deducidas para cada pareja de puntos de la curva característica de la autoválvula de ABB EXLIM P240-AH300.
Figura 36. Curva característica en abscisas logarítmicas del modelo EXLIM P240-AH300 obtenida por el modelo a partir de los datos del fabricante (ABB).
Ejemplo 2: Modelado de la autoválvula EXLIM Q108-AH123
Las características proporcionadas por el fabricante (ABB) para esta autoválvula de 108
kV de tensión nominal son:
Corriente Tensión residual0.5 kA 211 kV1 kA 216 kV2 kA 224 kV5 kA 246 kV10 kA 260 kV20 kA 286 kV
Tabla 22. Puntos de la curva característica de la autoválvula EXLIM P108-AH123.
A partir de estos puntos, las constantes ‘p’ y ‘q’ necesarias para modelar cada uno de los
tramos aparecen en la Tabla 38, y la Figura 37 muestra la curva característica resultante.
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Tabla 23. Constantes ‘p’ y ‘q’ deducidas para cada pareja de puntos de la curva característica de la autoválvula de ABB EXLIM Q108-AH123.
Representando la curva característica en escala logarítmica de intensidad resulta curva
de la.
Figura 37. Curva característica en abscisas logarítmicas del modelo EXLIM Q108-AH123 obtenida por el modelo a partir de los datos del fabricante (ABB).
La curva característica obtenida a partir del modelo desarrollado es muy similar a la
respuesta real de la autoválvula, coincidiendo en los puntos que el fabricante proporciona.
Ahora es necesario desarrollar el modelo en un entorno de simulación de redes eléctricas que
reproduzca el comportamiento de la autoválvula dentro de una red eléctrica.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE PROTECCIONES CONTRA 189SOBRETENSIONES EN REDES DE POTENCIA: ESTUDIO Y SIMULACIÓN
Capítulo 11
APLICACIÓN PRÁCTICA DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO
En este capítulo presentamos un ejemplo de aplicación consistente en el estudio de una
red determinada, y la elección del pararrayos más conveniente para una posición concreta de
la misma.
1 RED ELÉCTRICA
La red eléctrica escogida para dimensionar sus protecciones está esquematizada en la
Figura 38.
Figura 38. Esquema del circuito ejemplo.
La red elegida como ejemplo está formada por un generador (G), un transformador (T)
y una línea de transporte que conecta con un sistema de energía eléctrica (SEE). Las
características de cada uno de los elementos son las siguientes:
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190 APLICACIÓN PRÁCTICA DE SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO