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Sistemas de Puesta a Tierra
PROTECCIN DE SUBESTACIONES CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS 1.
INTRODUCCIN
Las subestaciones elctricas instaladas a la intemperie deben ser
protegidas contra descargas atmosfricas. Este tipo de proteccin
consiste en la instalacin de cables desnudos de acero, sobre las
estructuras de una subestacin. A este cable se le conoce por el
nombre de cables de guardia. A veces se complementa o se sustituye
por una serie de mstiles de tubos de acero galvanizado, que tambin
se fijan en la parte superior de las estructuras de la subestacin.
Para la determinacin de la ubicacin y cantidad de los cables de
guardia y/ mstiles, se utilizan dos mtodos analticos: a) Mtodo
Electrogeomtrico b) Mtodo de la Esfera Rodante.
2. MTODO ELECTROGEOMTRICO
La proteccin contra descargas atmosfricas directas en
subestaciones mediante el mtodo electrogeomtrico considera, al
igual que el mtodo de la esfera rodante, que hay una relacin entre
la corriente del rayo y la regin de alcance del extremo de la
descarga.
En la figura 1a se muestra una disposicin tpica de una
subestacin cuya configuracin corresponde a un esquema de
interruptor y medio.
En la figura 1b se muestran los cables de proteccin que se
ubican en la parte superior de la subestacin (ab, cd, ef y gh).
Figura 1 Disposicin tpica de una subestacin.
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Figura 2 Disposicin de Cables de Guardia.
La aplicacin del mtodo consiste en verificar que la subestacin
queda protegida ante descargas directas que incidan en el rea
comprendida entre dos cables de proteccin (toda el rea comprendida
al interior del rea definida por los puntos abhg). Se debern
determinar los parmetros d (separacin entre cables de proteccin), b
(separacin vertical entre el cable de proteccin y los conductores
de fase).
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2.1 PROCEDIMIENTO DE CLCULO
2.1.1 Se determina el valor de tensin para el cual se produce la
ruptura dielctrica en la cadena de aisladores de largo W que
soportan las barras, siendo este valor:
WVc = 58594.0 (kV)
En caso de que las barras sean soportadas mediante aisladores de
pedestal, se deber
considerar que Vc = BIL.
2.1.2 Si la barra est compuesta por varios conductores por fase
(haz de conductores), entonces se deber determinar el radio
equivalente de acuerdo a la siguiente ecuacin: oR
( )NNo ArNR 11=
donde: N : Nmero de conductores. r : Radio de cada conductor en
(m). A : Radio del haz de conductores en (m). Cuando el haz de
conductores est determinado por el espaciamiento entre los
subconductores (distancia entre los subconductores del haz
simtrico), entonces se tiene que:
)(sen2N
SA =
S : Espaciamiento entre conductores, en (m). Se deber tener la
precaucin de utilizar unidades mtricas en el uso de estas
ecuaciones.
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2.1.3 Determinar el radio equivalente de la barra, considerando
el efecto corona. En caso de que la barra est formada por un solo
conductor por fase, se deber aplicar la siguiente expresin:
0
2lnEV
RhR c
cc
=
donde:
h : Altura promedio de los conductores de fase, en (m).
0E : Es el gradiente corona lmite, el cual se considera igual a
1500 kV/m. La ecuacin anterior debe ser resuelta numricamente
usando el mtodo iterativo de Newton Raphson u otro similar. En caso
de que la barra de la subestacin est formado por un haz de
conductores, el radio equivalente de la barra, considerando el
efecto corona, ser igual a R'c y estar dado por:
cRRcR += 0 2.1.4 Determinar la impedancia caracterstica,
considerando el efecto corona, cuya expresin
est dada por:
=
rh
RhZ
cw
2ln2ln60
donde: r : Radio del conductor, en (m).
En caso de que se trate de un haz de conductores, se deber
utilizar y en vez de
y r respectivamente. cR 0R
cR 2.1.5 Determinar la mxima corriente del rayo en (kA) que se
puede permitir que alcancen los
conductores de proteccin. Esta corriente est dada por:
=
2/1.1
w
pfcc Z
VVI
donde:
pfV : Es el valor mximo de tensin fase-tierra, el cual est dado
por:
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VVVpf == 8165.032
; V es la tensin fase-fase del sistema.
2.1.6 La distancia de atraccin estar dada por:
65.02.7 cc IS = 2.1.7 La distancia de separacin entre las barras
del ltimo nivel de la subestacin y el cable
de proteccin (ver figura 2), estar dado por:
22 dSSb cc = donde d es la mitad de la distancia de separacin
entre los cables de proteccin.
2.1.8 Determinar el lmite prctico para la separacin entre los
conductores de proteccin,
sabiendo que la separacin mxima entre ellos puede ser:
cSd = 5.12 max Usando este resultado y conociendo la disposicin
de los marcos de barra de la subestacin, se determinar finalmente
la separacin de los conductores de proteccin. Una vez efectuado lo
anterior, se deber recalcular la distancia b sealada en el punto
2.1.7.
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3. MTODO ELECTROGEOMTRICO
El mtodo de la Esfera Rodante consiste en hacer rodar una esfera
imaginaria que tiene un cierto radio, sobre la subestacin.
Esta esfera imaginaria debe tener contacto con los elementos que
se estn utilizando para proteccin contra descargas atmosfricas
(cables, de guarda, puntas de pararrayos, mstiles, etc.).
En la figura 3 se muestra esquemticamente la forma en que se
protege a los equipos de una subestacin elctrica mediante el mtodo
de la esfera rodante. Todo equipo que quede ubicado bajo la
superficie de la esfera, quedar protegido contra descargas
atmosfricas directas, por el contrario todo equipo que est en
contacto con la superficie de la esfera o se encuentra dentro de
sta, no estar protegido.
Figura 3 Principio de proteccin mediante la esfera rodante.
La base de este modelo es el establecimiento de una relacin
entre la intensidad de la corriente del rayo y la regin de alcance
del extremo de la descarga piloto (lder), la que permite establecer
que un rayo en su trayectoria hacia la tierra tiene preferencia en
alcanzar los objetos ms prximos.
Para la mayora de las aplicaciones se acepta la siguiente
expresin:
ss Z
BILI = 2.2
65.08 sIKS =
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donde:
sI : es la corriente del rayo en kA. S : radio de la esfera en
mts. BIL : es el nivel bsico de impulso en kV. Zs : es la
impedancia caracterstica de la lnea (en Ohms), a travs del cual se
propaga la onda de la descarga del rayo. Se determina de la misma
forma que el trmino en 2.1.4. Para efectos prcticos, este valor se
considera igual a 300 Ohms. K : es un factor que toma en
consideracin el elemento que se utiliza como medio de proteccin,
dentro de los que se K = 1.0, en el caso de utilizar cables de
proteccin. K = 1.2, en el caso de utilizar mstiles de
proteccin.
3.1 PROTECCIN A TRAVS DE UN MASTIL
La proteccin a travs de un mstil se indica en el siguiente
esquema:
22 )( ASSC =
CST =
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3.2 PROTECCIN A TRAVS DE DOS MSTILES
La proteccin a travs de dos mstiles se indica en el siguiente
esquema:
22 )( ASSW =
YWZ =
22 ZSL =
LX 2=
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3.3 PROTECCIN A TRAVS DE TRES MSTILES
La proteccin a travs de tres mstiles se indica en el siguiente
esquema:
JQ
=18030cos2
El valor de Q no debe ser mayor que X (punto 3.2)
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3.4 PROTECCIN A TRAVS DE CUATRO MSTILES
La proteccin a travs de cuatro mstiles se indica en el siguiente
esquema:
AHD =
DSE =
22 ESJ =
JK 2=
2KP =
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3.5 PROTECCIN A TRAVS DE UN CABLE DE GUARDIA
La proteccin a travs de un cable de guardia se indica en el
siguiente esquema:
22 )( HSSR =
22 )( ASST =
TRC =
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3.6 PROTECCIN A TRAVS DE DOS CABLES DE GUARDIA
La proteccin a travs de dos cables de guardias se indica en el
siguiente esquema:
AHD =
DSE =
22 ESL =
LX 2=
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