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Gua de Seleccin de
Descargadores de
Sobretensin
Autor: Ing. Germn R. Zamanillo
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NDICE:
Seccin 1: Generalidades. 1.1 Recomendaciones para la aplicacin y
seleccin de descargadores Pg.9 1.2 Procedimiento general para la
seleccin de descargadores Pg.9 1.3 Resistencia a la polucin de la
envoltura del descargador Pg.10 2.1 Datos caractersticos de
descargadores con explosores Pg.12 2.1.1 General Pg.12 2.1.2 Tensin
nominal Pg.12 2.1.3 Niveles de proteccin Pg.12 2.1.4 Corriente de
descarga nominal Pg.13 2.1.5 Clase de descarga de larga duracin
Pg.13 2.1.6 Clase del limitador o alivio de presin Pg.13 2.1.7
Caractersticas de soportar contaminacin Pg.13 2.1.8 Caractersticas
de lavado bajo tensin Pg.13 2.2 Seleccin de descargadores con
explosores conectados entre fase y tierra Pg.13 2.2.1 Tensin
nominal Pg.13 2.2.2 Corriente de descarga nominal Pg.15 2.2.2.1
Factores que influyen en las corrientes de descarga de rayo Pg.15
2.2.2.2 Seleccin de la corriente nominal de descarga Pg.16 2.2.3
Capacidad de descarga de larga duracin Pg.17 2.2.3.1 Descargadores
de servicio intensivo Pg.17 2.2.3.2 Descargadores de 10 kA y 5 kA,
de servicio no intensivo Pg.17 2.2.4 Clase de alivio de presin
Pg.18 3.1 Datos caractersticos de los descargadores de xido metlico
sin explosores Pg.18 3.1.1 General Pg.18 3.1.2 Tensin de operacin
permanente Pg.18 3.1.3 Tensin nominal Pg.19 3.1.4 Corriente de
descarga nominal Pg.19
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3.1.5 Niveles de proteccin Pg.19 3.1.6 Clase descarga de lnea
Pg.19 3.1.7 Clase de alivio de presin Pg.19 3.1.8 Caractersticas de
soportar contaminacin Pg.19 3.1.9 Caractersticas de lavado bajo
tensin Pg.20 3.2 Seleccin de descargadores de oxido metlico fase a
tierra Pg.20 3.2.1 Tensin de operacin permanente Pg.20 3.2.2 Tensin
nominal Pg.20 3.2.3 Corriente de descarga nominal y clase de
descarga de lnea Pg.22 3.2.3.1 General Pg.22 3.2.3.2 Corriente de
descarga nominal Pg.22 3.2.3.3 Capacidad de absorcin de energa
Pg.23 3.2.4 Clase de alivio de presin Pg.24 Seccin 4: Aplicacin de
descargadores Pg.25 4.1 Principio de la coordinacin de aislamiento
Pg.25 4.2 Proteccin contra sobretensiones de frente lento Pg.25 4.3
Proteccin contra sobretensiones atmosfricas Pg.26 4.3.1 General
Pg.27 4.3.2 Mtodo simplificado para la proteccin contra rayos Pg.29
4.3.2.2 Proteccin de las subestaciones con Aislamiento Pg.31 de gas
(GIS) 4.3.2.3 Proteccin de los cables conectados a subestaciones
Pg.32 4.3.2.4 Proteccin de cables Pg.33
5.1 Descargadores entre fases Pg.33 5.2 Descargadores para
maquinas rotativas Pg.33 5.3 Otras aplicaciones especiales de los
descargadores Pg.34
6.1 General Pg.35 6.1.1 Indicadores de falla Pg.35 6.1.2
Desconectores Pg.35 6.1.3 Contadores de ondas de impulso Pg.36
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6.1.4 Monitoreo de explosores Pg.36 6.1.5 Mediciones de
temperatura Pg.36 6.1.6 Mediciones de corriente de fuga de
descargadores de oxido metlico Pg.36 6.1.6.1 Propiedades de las
corrientes de fuga de las resistencias no lineales Pg.37 de oxido
metlico 6.1.6.1.1 Corriente de fuga capacitiva Pg.38 6.1.6.1.2
Corriente de fuga resistiva Pg.38 6.1.6.1.3 Armnicos en la
corriente de fuga Pg.40 6.1.6.1.4 Prdidas activas Pg.40 6.1.6.2
Corriente de fuga superficial Pg.41 6.2 Medicin de la corriente de
fuga total Pg.41
Anexo A Pg.42 Determinacin de la sobretensin temporal debido a
fallas a tierra A.1 Factor de falla a tierra Pg.42 A.2 Eficacia de
la puesta a tierra del neutro en las redes areas de distribucin
Pg.42 Anexo B Pg.46 Valores caractersticos de los descargadores de
xido metlico B1 Valores p.u. y su relacin con las solicitaciones
esperadas Pg.47 B.2 Valores caractersticos de los descargadores
Pg.49 B.3 Capacidad de absorcin de energa Pg.51
AnexoC Pg.51 Gua para la conexin de descargadores en la
proteccin de cables C.1 Introduccin Pg.51 C.1.1 Daos en los cables
Pg.51 C.2 Sobretensiones por descargas de rayos y los efectos sobre
los sistemas Pg.51 de cable C.2.1 Descargas de rayos en lneas areas
de distribucin Pg.51 C.2.1.1 Descargas directas Pg.51 C.2.1.2
Tensiones resultantes debido al contorneo de lneas areas por Pg.52
descargas directas C.2.1.3 Descargas inducidas Pg.53 C.2.1.4
Discontinuidad de la impedancia caracterstica con descargador
Pg.53
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C.3. Operacin del descargador Pg.53 C.3.1 Tensin residual del
descargador Pg.53 C3.2 Longitud de las conexiones Pg.53 C.4.
Esquema de proteccin con descargadores en sistemas de cables Pg.54
C.4.1 Esquema con descargador en los terminales de entrada del
cable Pg.54 C.4.2 Esquema de proteccin con descargadores en los
terminales de entrada Pg.54 y finales del cable C.4.3 Esquema de
proteccin con descargadores en los terminales de entrada, Pg.55 en
puntos intermedios y al final del cable C.4.4 Esquema adicional de
proteccin con descargadores Pg.56 C.5. Datos sobre descargas de
rayos Pg.56 C.5.1 Impulsos mltiples de corriente Pg.56 C.5.2
Magnitudes de las descargas de corriente Pg.56 C.5.2.1
Caractersticas de la primera descarga del rayo Pg.56 C.5.2.2
Caractersticas de las descargas subsecuentes del rayo Pg.56 C.5.2.3
Caractersticas de las descargas de corriente de rayos sobre Pg.57
descargadores en medidas de campo realizadas en sistemas de
potencia C.5.2.4 Implicacin para los estudios de coordinacin del
aislamiento Pg.57 C.5.3 Pendiente de la descarga incidente Pg.57
C.5.4 Ondas bipolares Pg.57 C.6. Tensin transitoria aplicada al
sistema de aislacin del cable Pg.57 C.6.1 Tensin transitoria total
aplicada Pg.57 C.6.2 Tensin residual del descargador Pg.58 C.6.3
Cada de tensin en los conductores de conexin Pg.58 C.6.4
Componentes de la tensin transitoria impuesta a los terminales de
Pg.59 entrada del cable C.6.5 Inductancia de los conductores Pg.59
C.6.6 Cada de tensin en los conductores Pg.59 C.7. Proteccin del
final del cable Pg.59 C.7.1 Sin descargador al final del cable
Pg.59 C.7.2 Con descargador al final del cable Pg.60
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C.8. Margen de proteccin Pg.60 C.8.1. Descargadores solamente en
la entrada del cable Pg.60 C.8.2 Descargadores en la entrada y al
final del cable Pg.60 C.8.3 Descargadores en la entrada, en puntos
intermedios y al final Pg.61 del cable
C.8.4 Margen de proteccin mnimo histrico Pg.61 C.9 Tcnica de
instalacin y conexin de los descargadores Pg.61 C.10 Resumen de la
proteccin de los terminales de cables conectados Pg.64 a lneas
areas ANEXO D Pg.65 Informacin necesaria de conocer para la compra
de descargadores D.1 Condiciones de servicio de descargadores con y
sin explosores Pg.65 D.1.1 Condiciones normales de servicio Pg.65
D.1.2 Condiciones anormales de servicio Pg.66 D.2 Informacin tpica
suministrada en las solicitudes y ofertas de descargadores Pg.66
con y sin explosores D.2.1 Informacin proporcionada en los pedidos
de ofertas Pg.66 D.2.1.1 Datos del Sistema Pg.66 D.2.2 Condiciones
de servicio Pg.67 D.2.3 Rol del descargador Pg.67 D.2.4
Caractersticas de los descargadores Pg.68 D.2.4.1 Con explosores
Pg.68
D.2.4.2 Sin explosores Pg.68 D.2.5 Equipamiento adicional y
accesorios para ambos tipos Pg.68 de descargadores D.2.6
Condiciones anormales particulares Pg.68 D.3 La informacin
facilitada por el oferente con la licitacin Pg.68
Anexo E Pg.69 Comparaciones entre las normativas IEC e IEEE
E.1 Introduccin Pg.69 E.2 Clasificacin de los descargadores segn
IEEE e IEC. Pg.69
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Anexo F Pg.71 Parmetros para seleccionar los descargadores con y
sin explosores en sistemas de distribucin F.1 Introduccin Pg.71 F.2
Eleccin de la tensin nominal de los descargadores Pg.71 F.2.1
Descargadores con explosores Pg.71 F.2.2 Descargadores sin
explosores Pg.72 F.2.2.1 Determinacin de la mxima tensin de
operacin permanente Uc Pg.72 del descargador, sin explosores F2.2.2
Duracin y magnitud de la sobretensin temporaria de frecuencia Pg.73
de red que soporta el descargador sin explosor F.3 Requerimientos
energticos de los descargadores Pg.74
F.4 Corriente nominal de los descargadores Pg.74 F.5 Localizacin
del descargador de sobretensin al final de una lnea Pg.75 F.5.1
Tierra nica entre la cuba del equipo protegido y los descargadores
Pg.76 F.5.2 Tierras separadas entre la cuba del equipo y los
descargadores Pg.77 F.6 Verificacin del margen de proteccin Pg.78
F.6.1 Tensin soportada por el equipamiento Pg.78 F.6.2 Tensin
resistida por el equipamiento Pg.78 F.6.3 Margen de Proteccin Pg.79
F.7 Resumen para la seleccin de los descargadores de oxido metlico
Pg.80 Anexo G EJEMPLOS DE SELECCIN DE DESCARGADORES DE OXIDO DE
ZINC SIN EXPLOSORES, PARA LOS SISTEMAS ELCTRICOS DE DISTRIBUCIN DE:
10,5 kV; 13,8 kV; 24,9 kV; 34,5 kV; 69,0 kV Y 115 kV. SISTEMA DE
TENSIN DE 13,8 KV, SUBESTACIONES PARA ELECTRIFICACIN Pg.81 RURAL Y
URBANA: EJEMPLO DE CLCULO EN EL SISTEMA ELCTRICO GERMN BUSCH
SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV, SUBESTACIONES PARA Pg.86
ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: EJEMPLO DE CLCULO EN EL SISTEMA
ELCTRICO 05_VMA_SIE SISTEMA DE TENSIN DE 34,5 KV, SUBESTACIONES
PARA Pg.89 ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: EJEMPLO DE CLCULO EN EL
SISTEMA ELCTRICO GERMN BUSCH
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SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV, TERMINALES DE CABLE TRIFSICO Pg.91
EN POSTE, CRUCES SUBTERRNEOS SISTEMA DE TENSIN DE 10,5 KV,
TERMINALES DE CABLE Pg.94 TRIFSICO EN POSTE SISTEMA ELCTRICO DE 69
KV: 01_GUA-69. Pg.96 SISTEMA ELCTRICO DE 115 KV: ARBOLEDA. Pg.98
RESUMEN DE LA SELECCIN DE DESCARGADORES SIN EXPLOSORES Pg.99 PARA
TODOS LOS NIVELES DE TENSIN DE LOS SISTEMAS ELCTRICOS CRE SISTEMA
DE TENSIN DE 10,5 KV PARA ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA: Pg.101
SISTEMA DE TENSIN DE 13,8 KV PARA ELECTRIFICACIN RURAL Y URBANA:
Pg.101 SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV PARA ELECTRIFICACIN RURAL Y
URBANA: Pg.102 SISTEMA DE TENSIN DE 34,5 KV PARA ELECTRIFICACIN
RURAL Y URBANA Pg.102 SISTEMA DE TENSIN DE 24,9 KV, TERMINALES DE
CABLE TRIFSICO EN Pg.103 POSTE, PARA CRUCES SUBTERRNEOS SISTEMAS DE
TENSIN DE 10,5 KV, TERMINALES DE CABLE TRIFSICO EN Pg.104 POSTE,
LNEA AREA CABLE CON TERMINACIN EN SUBESTACIONES DE TRANSFORMACIN NO
EXPUESTAS A DESCARGAS ATMOSFRICAS. SISTEMA ELCTRICO DE 69 KV:
01_GUA-69. Pg.104 SISTEMA ELCTRICO DE 115 KV: ARBOLEDA. Pg.104
Anexo H Pg.104
Bibliografa Pg.104
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Gua de seleccin de descargadores de Sobretensin
Seccin 1: Generalidades. 1.1 Recomendaciones para la aplicacin y
seleccin de descargadores En los sistemas de redes de la gama I
(por encima de 1 kV hasta 245 kV) que contiene lneas areas o
mixtas, los principales riesgos para el equipamiento surgen de las
descargas de rayos inducidas y directas sobre las lneas. En los
sistemas de redes de cables no conectados a lneas areas, las
sobretensiones ms susceptibles de producirse son ocasionadas por
las fallas u operaciones de maniobras; pudiendo en casos
particulares tambin presentarse sobretensiones originadas por
rayos. En los sistemas de la gama II (mayores a 245 kV), adems de
los factores de la gama I, las sobretensiones de maniobra son ms
importantes, incrementndose con mayores tensiones del sistema. Las
sobretensiones pueden causar contorneo y graves daos a los equipos
y, por ende, poner en peligro el suministro de energa a los
usuarios. Es fundamental para prevenir esto, una adecuada
coordinacin de los descargadores con la aislacin. Es por lo tanto
recomendado usar descargadores, si hay posibilidad de
sobretensiones atmosfricas o fuertes sobretensiones de maniobra,
que pueden resultar peligrosas para el equipamiento. Estos
descargadores deben constituir una parte altamente confiable del
sistema. Ellos estn diseados para soportar las tensiones y las
corrientes resultantes a travs de ellos, con suficiente
confiabilidad teniendo en cuenta la contaminacin y otros problemas
relativos a su emplazamiento. En cada uno de tales sistemas, las
tensiones solicitantes son (vase IEC 60071-1):
- Tensin de operacin; - Sobretensiones temporales; -
Sobretensiones de frente lento; - Sobretensiones de frente
rpido;
Donde las tensiones de frente lento, debido a maniobras, son de
particular importancia para los descargadores en la proteccin de
equipamiento de la gama II. Como principio general, una buena
proteccin de los equipos y el empleo de descargadores de tensin
nominal elevada, son exigencias contradictorias. As, la seleccin de
un adecuado descargador constituye una optimizacin del proceso, que
tiene que examinar un gran nmero de parmetros, tanto del sistema
como de los equipos. Los descargadores de oxido metlico sin
explosores, se adaptan particularmente bien para los sistemas de
neutro a tierra, porque ofrecen una mejor proteccin contra
sobretensiones de frente lento, siendo por ello ampliamente
difundidos en tales sistemas. En algunos sistemas de neutro aislado
o conectados a tierra por medio de bobinas de compensacin, donde
las sobretensiones temporales por fallas a tierra pueden tener
larga duracin, los descargadores con explosores pueden ofrecer
ventajas, si los niveles de proteccin que son requeridos deben ser
bajos. Si bien es el descargador tradicionalmente utilizado en
todas las gamas de tensin, la utilizacin de descargadores con
explosores puede ser adecuada para los sistemas de la gama I,
especialmente en el rango de menor tensin. 1.2 Procedimiento
general para la seleccin de descargadores Para la seleccin de
descargadores, se recomienda el siguiente procedimiento iterativo,
que tambin se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 1:
- Determinar la tensin de rgimen permanente del descargador, en
base a la tensin de servicio ms alta del sistema;
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- Determinar la tensin nominal del descargador con respecto a
las sobretensiones temporales;
- Estimar la amplitud y la probabilidad de la corriente de
descarga de rayos, esperada a travs del descargador, determinar los
requerimientos de descarga de lnea de transmisin y seleccionar la
corriente de descarga nominal, el valor de corriente de impulso de
gran amplitud y la clase de descarga de lnea del descargador;
NOTA: Si son necesarios valores de corrientes de impulso de gran
amplitud, diferentes de los valores normalizados (vase IEC 60099-4,
nota del cuadro 6), estos valores sern seleccionados de acuerdo a
la corriente de descarga del rayo.
- Seleccionar la clase del limitador de presin, con respecto a
la corriente de falla esperada de frecuencia de red;
- Seleccionar un descargador que cumpla el requisito anterior; -
Determinar las caractersticas de proteccin a impulsos de rayos y a
maniobras del
descargador; - Localizar el descargador lo ms cerca posible de
los equipos que se deben proteger; - Determinar la tensin soportada
de coordinacin a impulsos de maniobra del equipo
protegido, teniendo en cuenta las sobretensiones representativas
de frente lento y la configuracin del sistema;
- Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulsos de
rayos, considerando:
La sobretensin de rayo representativa incidente, segn lo
determine el desempeo de la lnea area conectada al descargador y la
tasa de falla aceptable del equipamiento protegido;
La configuracin de la subestacin; La distancia entre el
descargador y el equipamiento protegido;
- Determinar el nivel de aislamiento nominal de los equipos de
la norma IEC 60071-1;
- Si se desea que el nivel de aislamiento nominal del
equipamiento sea menor (BIL o
nivel bsico de aislacin a impulso de tensin atmosfrico),
entonces es recomendable estudiar soluciones, tales como la eleccin
de una tensin de operacin permanente menor, una tensin nominal
menor, una corriente de descarga nominal mayor, una clase de
descarga de lnea mayor, un diseo de descargador diferente o una
reduccin de la distancia entre el descargador y el equipo
protegido.
NOTA: Una tensin de operacin continua o de servicio permanente
menor o una tensin nominal menor, pueden disminuir la confiabilidad
en servicio de los descargadores. Los detalles de este
procedimiento iterativo se explican en las secciones 2, 3 y 4 de
este documento.
1.3 Resistencia a la polucin de la envoltura del descargador Los
depsitos de polucin sobre la envoltura del descargador, pueden
causar su cebado, el incremento de temperatura de los dispositivos
de reparticin de tensin de los descargadores que tienen explosores,
y el fuerte aumento de temperatura de los varistores de los
descargadores de oxido metlico. Para evitar fallas de los
descargadores en zonas contaminadas, se debe seleccionar los
descargadores capaces de soportar las condiciones de polucin
locales. Aunque no est explcitamente especificado en la norma IEC
60099-1 y IEC 60099-4, los descargadores utilizados en condiciones
normales de operacin deben soportar la contaminacin media de
acuerdo con el nivel de polucin II de la IEC 60071-2. Si el rea de
instalacin del descargador est sujeta a un mayor grado de
contaminacin, puede producirse una disminucin en la eficacia del
descargador. Si se utilizan descargadores de inadecuada concepcin
en las zonas fuertemente contaminadas (nivel de polucin III) o muy
fuertemente contaminadas (nivel de polucin IV), pueden prevenirse
eficazmente los efectos mencionados anteriormente por medio
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del lavado o engrasado peridico. Cuando se realiza el lavado
bajo tensin, se requieren descargadores diseados especialmente para
dicho servicio.
Figura 1 Diagrama de flujo para la seleccin de descargadores
Seccin 2: Descargadores con explosores tipo resistencia no
lineal.
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Segn IEC 60099-1
2.1 Datos caractersticos de descargadores con explosores 2.1.1
General Las caractersticas bsicas de los descargadores con
explosores en serie, son: su tensin nominal, sus tensiones de
cebado, sus corrientes de descarga nominal y sus tensiones
residuales a estas corrientes. La proteccin est caracterizada por
las tensiones de cebado: para frente de onda, impulso de rayo e
impulsos de maniobra (cuando es aplicable), siendo tambin
caracterizada por las tensiones residuales a corriente de descarga
nominal y a corrientes de impulso de maniobra (cuando es
aplicable). Para una tensin nominal dada, existen diferentes tipos
de descargadores y por lo tanto diferentes niveles de proteccin.
Las caractersticas adicionales de los descargadores a ser
consideradas son: la tensin de operacin continua, la clase de
descarga de larga duracin, la clase del alivio o del limitador de
presin, la capacidad de soportar polucin, la aptitud al lavado bajo
tensin y las propiedades mecnicas especiales. 2.1.2 Tensin nominal
Es el valor mximo admisible de la tensin eficaz a frecuencia
industrial, entre los bornes del descargador, para la cual est
diseado, para operar correctamente en las condiciones de ensayo de
funcionamiento. La tensin nominal se utiliza como parmetro de
referencia, para la especificacin de las caractersticas de
funcionamiento. NOTA: Algunos tipos de descargadores que se
utilizan en la gama II, estn diseados para descebar a una tensin de
frecuencia de red mayor que la tensin nominal. Esta tensin es
generalmente llamada "tensin de interrupcin a sobretensin
temporal". Desde IEC 60099 -1 no se especifican las pruebas para
garantizar el correcto funcionamiento de tales descargadores, por
ello los detalles de ensayos y de aplicacin, debern ser acordadas
entre fabricante y usuario. En algunos casos, por ejemplo en los
ensayos de contaminacin segn IEC 60099-3, el valor mximo r.m.s. a
frecuencia de red, que puede aplicarse continuamente entre los
terminales del descargador debe ser conocido. Para descargadores
que se utilizan en la gama I segn IEC 60071-1, esta tensin puede
ser igual a la tensin nominal del descargador; en cambio para
aplicaciones en la gama II, es por lo general ms bajo. Como la IEC
60099-1 no especifica las pruebas para asegurar esta tensin, el
valor aplicable se debe obtener del fabricante. 2.1.3 Niveles de
proteccin El nivel de proteccin a impulso de rayos, de un
descargador, es el mximo de los siguientes valores:
- La tensin de cebado a impulso de rayo, normalizada;
- La tensin residual a descarga nominal. NOTA: Al considerar la
proteccin de los equipos a sobretensiones de frente rpido, se asume
que el esfuerzo soportado por las aislaciones de los
transformadores en bao de aceite, es al menos un 15% mayor que la
tensin soportada a impulso de rayos con onda plena para las
sobretensiones de duracin menores a 3 s. Por lo tanto, las
tensiones mximas especificadas en la tabla 8 de la IEC 600099-1,
para el cebado de frente de onda son un 15% mayor que las de las
descargas de rayo normalizadas. Otros tipos de aislamientos como el
de transformadores de medida, cables o subestaciones con
aislamiento de gas (GIS), pueden tener caractersticas de tensin
resistida diferentes y la tensin de cebado de frente de onda puede
necesitar de consideracin especial. El nivel de proteccin a impulso
de maniobra, es aplicable a la proteccin de equipos para
sobretensiones de frente lento. Es la mxima tensin de cebado a
impulso de maniobra y la tensin residual a impulso de maniobra.
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NOTA: Cuando la caracterstica de cebado a impulso de maniobra de
un tipo de descargador no es conocida, se obtiene slo informacin
aproximada acerca de sta, a partir de la tensin de cebado a
frecuencia de red. 2.1.4 Corriente de descarga nominal Es el valor
de cresta de la corriente de descarga de forma de onda 8/20,
utilizada para clasificar un descargador. Es tambin la corriente de
descarga que se utiliza para cebar la corriente subsiguiente de
frecuencia de red, en el ensayo de funcionamiento y para definir el
nivel de proteccin de los descargadores para las sobretensiones de
rayos. 2.1.5 Clase de descarga de larga duracin Es el nmero
relacionado a la capacidad de absorcin de energa de un descargador,
durante la descarga de lneas de gran longitud. El aumento del nmero
de clase (vase la tabla 5 de la IEC 60099-1), corresponde al
incremento de la tensin del sistema y de la longitud de lnea, con
el decrecimiento de la impedancia de onda y de los factores de
sobretensin. 2.1.6 Clase del limitador o alivio de presin. Es el
nmero relacionado a la capacidad de un descargador de resistir los
efectos de corrientes de fallas internas, superando la avera sin
explosin violenta del cuerpo. Se hace referencia a la clusula 8.7
de la IEC 60099-1. 2.1.7 Caractersticas de soportar contaminacin
Para los descargadores destinados a ser utilizados en zonas de
polucin III y IV segn IEC 60071-2, es necesario realizar el ensayo
de contaminacin, segn IEC 60099-3. Estos ensayos permiten obtener
la informacin sobre la caracterstica de cebado. La caracterstica de
contorneo de la envoltura puede ser verificada de acuerdo con la
IEC 60507. 2.1.8 Caractersticas de lavado bajo tensin Para el
lavado bajo tensin, puede necesitarse una concepcin especial de
descargador, debiendo definir un ensayo. En el diseo de los equipos
de lavado, se debe tener cuidado con los siguientes puntos:
- Se debe utilizar agua con una resistividad adecuada;
- La presin y la configuracin de los pulverizadores debe ser
tal, que la totalidad del descargador, en toda su longitud y
circunferencia, sea rociado lo mas uniformemente posible en un
mismo momento. Por esta razn, es necesario considerar el lmite
admisible para la velocidad del viento.
2.2 Seleccin de descargadores con explosores conectados entre
fase y tierra 2.2.1 Tensin nominal Es una prctica corriente para
seleccionar un descargador, el de considerar que ste debe soportar
los esfuerzos de las sobretensiones temporales resultantes de una
falla a tierra de una de las fases; produciendo un aumento de la
tensin sobre las fases sanas, al tiempo que opera un descargador de
estas fases. Se deben considerar otras causas de sobretensiones
temporales y la tensin nominal del descargador debe elegirse sobre
la base de la mayor de estas condiciones de sobretensin. En algunos
casos, puede ser necesario considerar la posibilidad de
sobretensiones temporales derivadas de la simultnea ocurrencia de
los distintos fenmenos como la repentina prdida de carga junto con
una falla a tierra, teniendo en cuenta su probabilidad de
ocurrencia. Las siguientes causas de sobretensiones temporales
debern siempre tenerse en cuenta: - Fallas a tierra: Estas
sobretensiones se producen en gran parte de los sistemas. Una gua
para la determinacin de las amplitudes de las sobretensiones
temporales se encuentra en el anexo A. La duracin de la sobretensin
corresponde a la duracin de la falla (hasta la limpieza o
eliminacin de la misma). En sistemas de neutro a tierra, es en
general menor a 1s. En los sistemas con neutro conectado por medio
de bobina de compensacin resonante, el tiempo de
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eliminacin de la falla es en general menor de 10 s. En los
sistemas sin conexin a tierra, la duracin puede ser de varias
horas. - Rechazo de carga o prdida de carga: Despus de la
desconexin de las cargas, la tensin del lado de la fuente del
interruptor aumenta. La amplitud de la sobretensin depende de las
caractersticas de la carga desconectada y de la potencia de
cortocircuito de la subestacin de alimentacin. Las amplitudes de
las sobretensiones temporales son particularmente elevadas despus
del rechazo total de plena carga al nivel de los generadores,
dependiendo de la magnetizacin y de la condicin de sobrevelocidad
de la maquina. La amplitud de la sobretensin por perdida de carga
no suele ser constante a lo largo de su duracin. En el caso de
clculos precisos, deben tenerse en cuenta varios parmetros. Los
valores tpicos siguientes pueden servir de indicacin:
- En los sistemas de redes de extensin moderada o poco
extendidos, una prdida de
plena carga puede dar lugar a sobretensiones de fase a tierra
con amplitud por lo general por debajo de 1,2 p.u. La duracin de la
sobretensin depende del funcionamiento del equipo de regulacin de
tensin y puede ser de hasta varios minutos.
- En los sistemas extendidos, despus de una prdida de plena
carga, las
sobretensiones fase a tierra puede llegar a 1,5 p.u. o incluso
ms cuando se presentan efectos Ferranti o de resonancia. Su duracin
puede ser del orden de algunos segundos.
- Para la perdida de carga a nivel de los generadores, las
sobretensiones temporales pueden llegar a amplitudes de hasta 1,4
p.u. para generadores turbodiesel y de hasta 1,5 p.u. para
generadores de energa hidroelctrica. La duracin es de
aproximadamente 3 s.
Cuando se conoce la evolucin de la amplitud en funcin del
tiempo, la sobretensin puede ser adecuadamente representada por la
amplitud mxima con una duracin igual al tiempo en que la amplitud
es superior al 90% de este valor. En algunos sistemas, deben
considerarse las siguientes causas de sobretensin temporal:
- Efectos de resonancia, por ejemplo cuando se conectan largas
lneas en vaco;
- Elevacin de tensin a lo largo de lneas de gran longitud
(efecto Ferranti);
- Sobretensiones armnicas, por ejemplo durante las maniobras de
transformadores;
- En el caso de una subestacin de transformacin con dos
transformadores con barras secundarias en comn, durante la
eliminacin de defectos; o maniobras monofsicas de un transformador
trifsico con carga desequilibrada en el secundario.
Las sobretensiones temporales debido a ferroresonancia no deben
constituir la base para la seleccin de los descargadores, sino que
se debe evitar la aparicin de estas sobretensiones en el sistema.
La combinacin de causas, tales como las fallas a tierra y prdidas
de carga pueden conducir a sobretensiones temporales ms elevadas
que aquellas de evento simple. Cuando tales combinaciones se
consideran lo suficientemente probables, los factores de
sobretensiones para cada causa deben ser combinados, teniendo en
cuenta la configuracin del sistema existente. NOTA 1: La seleccin
de la tensin nominal del descargador, correspondiente a la mayor
sobretensin temporal del sistema, se basa en el supuesto de que la
mayor tensin del sistema no es excedida bajo condiciones de
explotacin
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normal. Si las tensiones anormales son probables que se
produzcan en el sistema, aumentando la probabilidad de
funcionamiento de los descargadores bajo estas condiciones, puede
ser necesario utilizar un descargador de tensin nominal superior a
la recomendada anteriormente, en funcin de las condiciones
particulares. NOTA 2: El empleo de descargadores en sistemas de
frecuencias distintas de 50 Hz o 60 Hz puede requerir una atencin
particular en la fabricacin o la aplicacin y debera ser un tema de
discusin entre el fabricante y el usuario. Los descargadores para
sistemas de neutro aislado o resonante, sin dispositivo de
eliminacin automtica de fallas a tierra, deben ser capaces de
soportar la tensin nominal del sistema continuamente, debido a la
posible larga duracin de la sobretensin temporal. Los descargadores
para sistemas con equipamiento automticos de eliminacin de fallas a
tierra, solamente deben soportar la permanencia de la tensin mxima
fase a tierra del sistema. Esta reduccin de valor se puede obtener
del fabricante. 2.2.2 Corriente de descarga nominal 2.2.2.1
Factores que influyen en las corrientes de descarga de rayo Como
norma general, las corrientes de los descargadores debidas a las
descargas de rayos, son menores que la corriente del rayo. En el
caso de impactos directos a las lneas, las ondas viajeras se
propagan en direcciones opuestas desde el punto de impacto. El
contorneo del aislamiento de la lnea proporciona un camino paralelo
a tierra, que desva una parte de la corriente de impacto. En el
caso de los impactos en ms de un conductor, o contorneo entre
conductores, dos o ms descargadores pueden operar y dividir la
corriente. Slo en el caso de un impacto muy cerca del terminal del
descargador, donde no existe contorneo por la operacin del
descargador, el descargador debe conducir la mayor corriente de
impacto del rayo. La probabilidad de que ocurra tal suceso puede
ser reducida significativamente por una adecuada proteccin. La
informacin relativa a los parmetros del rayo, puede obtenerse de
datos estadsticos generales o locales. La relacin entre las
corrientes de descarga de rayo y las corrientes de descarga de
descargadores, puede ser obtenida a partir de simulaciones numricas
de propagacin de ondas. Las lneas areas pueden ser protegidas
contra descargas de rayos directos a los conductores por el uso de
conductores de blindaje (hilos de guarda), los cuales estn en
condiciones de interceptar las descargas de rayos y dirigir la
corriente del rayo directamente a tierra por las torres metlicas,
estructuras o postes. Donde se emplean estructuras de postes de
madera, se adicionan conductores de baja impedancia para conectar
los hilos de guarda a la puesta a tierra. Casi todas las descargas
directas a los conductores de lnea son eliminadas por el uso de
blindaje con hilos de guarda. Cuando una descarga directa ocurre
(falla de blindaje), es casi seguro que hay flameo de la lnea en la
gama I (por encima de 1 kV hasta 245 kV). El nmero de fallas del
blindaje, as como su gravedad puede ser controlado por el nmero y
la ubicacin de los hilos de guarda. La impedancia del camino de la
corriente, incluyendo la impedancia de onda de la puesta a tierra,
resulta en una tensin sobre el extremo del soporte de lnea. Una
parte de esta tensin es aplicada a los conductores de fase. La
aislacin de la lnea es sometida a una tensin igual a la diferencia
entre el potencial del conductor de fase y el potencial del extremo
del soporte y puede resultar en un flameo o cebado. Este tipo de
flameo es llamado descarga inversa o cebado de retorno
(back-flashover). La tasa de incidencia de la descarga inversa es
controlada por la seleccin de un apropiado nivel de aislamiento,
por el mantenimiento de la resistencia a tierra de la estructura a
un valor bajo aceptable, por disponer de una distancia suficiente
entre los conductores y la estructura, entre los conductores y el
hilo de guarda y entre conductores, como as tambin en la
optimizacin de la geometra de la torre.
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Procedimientos anlogos a los utilizados para el blindaje de las
lneas tambin se pueden utilizar para proteger a las estaciones. Los
mtodos de blindaje incluyen el uso de hilos de guarda, mstiles
metlicos y varillas soportadas desde la estructura de la estacin.
Estos mtodos pueden ser usados en forma combinada. Las
instalaciones no protegidas contra descargas directas de rayo, por
ejemplo, en el caso de transformadores de distribucin, o en
empalmes de lneas con cables, en las lneas de poste de madera,
etc., tanto el aislamiento como el descargador, pueden estar
sujetos a estas descargas, producindose corrientes de descargas
extremadamente altas. En general, la corriente de rayo y la
corriente de descarga representativa, deben estar basadas en la
probabilidad de ocurrencia. El propsito de proteger la estacin, es
la de reducir el riesgo de falla de la aislacin a un nivel
aceptable. En ciertas aplicaciones, esto puede ser alcanzado con el
solo blindaje de la estacin. En otros casos, puede ser necesario
proteger a todas las lneas entrantes a la estacin. El blindaje de
las lneas a una distancia relativamente corta de la estacin, ofrece
los mismos beneficios para la proteccin de la estacin como una lnea
totalmente protegida. Con un adecuado diseo del blindaje, del
aislamiento, y del sistema de puesta a tierra, la probabilidad de
impactos directos a los conductores de fase, es reducida a niveles
bajos y las tensiones a travs del aislamiento durante los eventos
de las descargas de los sistemas protegidos son reducidas por
debajo de los niveles de descarga inversa. Como resultado, las
corrientes de descarga de los descargadores son reducidas,
permitiendo que el descargador provea la mejor proteccin para el
aislamiento del equipamiento y reduciendo el esfuerzo del
descargador. 2.2.2.2 Seleccin de la corriente nominal de descarga
Como norma general, la corriente de descarga nominal de un
descargador es seleccionada despus de considerar:
- La importancia y el grado de proteccin deseado. Determinando
los niveles de proteccin en base a los mayores valores de amplitud
de corriente y considerando el incremento de la confiabilidad de la
proteccin;
- El nmero de lneas conectadas durante la operacin del
descargador. Debido a las
reflexiones de ondas, la corriente de descarga del descargador
es afectada por la impedancia de onda de las lneas y cables
conectados en paralelo.
- El aislamiento de la lnea. Cuando el aislamiento de la lnea es
aumentado fuertemente
(por ejemplo: postes de madera enteramente aislados), las
corrientes de descarga de rayo son potencialmente mas elevadas, a
menos que el impacto de rayo caiga tan cerca del descargador que la
impedancia y el aislamiento de la lnea no puedan influir sobre la
onda. Cuando el descargador es usado en la estacin con postes de
madera sin colocar a tierra el herraje o el soporte de los
aisladores, es conveniente que al menos un poste, preferiblemente
el ltimo de la lnea, debe tener a tierra el herraje o los soportes
de los aisladores, con baja impedancia de tierra. En el caso de
alta impedancia de tierra, deberan ser aterrados varios postes con
una distancia de cerca de cinco vanos desde la estacin;
- La probabilidad de aparicin de corrientes de rayos de valores
elevados. La magnitud
de las corrientes de rayo vara sobre un amplio rango de valores.
Lneas reas que se encuentran en zonas de alta densidad de descargas
a tierra tienen una mayor probabilidad de ser impactadas por rayos
con magnitudes de corriente elevadas;
- Las caractersticas de las lneas y de los fenmenos de las
descargas. Las corrientes y
pendientes de las descargas de rayo son funciones de la tasa de
descarga inversa y las tasas de falla del blindaje de las lneas (o
de la tasa de cebado de las lneas desprotegidas) que estn dentro de
una distancia limitada de la estacin. Las tasas de falla mayor
(menor) incrementan (decrementan) las probables corrientes de
descarga de rayo y las pendientes de la descarga.
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Para corrientes de descarga nominal de acuerdo a la norma IEC
60099-1, la experiencia indica que se logra un grado satisfactorio
de proteccin si se cumplen las siguientes recomendaciones: Gama I
(por encima de 1 kV, a 245 kV): 5 kA o 10 kA En los sistemas de
gama I de IEC 60071-1, donde las distancias entre descargadores son
pequeas (menos de 5 kilmetros), los descargadores para los
transformadores de distribucin con una corriente nominal de
descarga de 5 kA han demostrado ser lo suficientemente fiables, an
cuando los transformadores estn conectados a lneas con postes de
madera con las crucetas no colocadas a tierra. En los sistemas con
tensin de 72,5 kV y menores, los descargadores con una corriente
nominal de 5 kA pueden ser suficientes para reas con baja densidad
de descarga a tierra y efectivo blindaje en las lneas areas
entrantes con impedancias bajas de pie de torre. Los descargadores
con corriente nominal de 10 kA pueden ser preferibles para
instalaciones importantes (necesidad de la mejor proteccin),
particularmente en reas con alta densidad de descarga a tierra o
alta resistencias de tierra. En los sistemas con tensiones ms altas
de 72,5 kV, son generalmente recomendables los descargadores de 10
kA. Gama II: (por encima de 245 kV): 10 kA o 20 kA Para sistemas
con tensiones de hasta 420 kV y menores, es generalmente suficiente
contar con descargadores con una corriente de descarga nominal de
10 kA. Para sistemas con tensiones por encima de 420 kV, pueden ser
requeridos descargadores de 20 kA. 2.2.3 Capacidad de descarga de
larga duracin. En las instalaciones en donde estn conectadas
grandes longitudes de lneas o cables, o grandes bancos de
capacitores, el descargador debe ser capaz de soportar corrientes y
energas de descargas debido a las sobretensiones de maniobra. Las
normas especifican descargadores de 10 kA de servicio intensivo
para varios rangos de tensiones de sistemas (ver 8.5.3 de la IEC
60099-1), que representan la disipacin de energa tpica a travs de
los descargadores de los sistemas en cuestin. Los descargadores de
servicio intensivo se utilizan para los equipos de la gama II. Para
equipos de la gama I, los descargadores de servicio intensivo se
utilizan solamente en estaciones de transformacin importantes,
donde se requieren niveles de proteccin bajos o al poseer lneas
areas largas, cables o bancos de capacitores conectados a las
barras. Para otros casos, por ejemplo cuando las lneas entrantes
son relativamente cortas (menores de 100 km), generalmente se
utilizan descargadores de 10 kA servicio no intensivo o liviano o
los de 5 kA. 2.2.3.1 Descargadores de servicio intensivo Los
requisitos de ensayo que figuran en el tabla 5 de la IEC 60099-1
son determinados o se basan en el servicio involucrado en la
descarga de lneas de transmisin y en el uso de un descargador con
tensin nominal igual a 1,4 veces la mayor tensin fase a tierra.
Normalmente, la clase de descarga de larga duracin se basa en la
tensin del sistema correspondiente, ver tabla 1. Sin embargo,
cuando varan apreciablemente las caractersticas de las lneas de la
tabla 1, la energa disipada en el descargador durante la condicin
de servicio, puede ser comparada con la correspondiente del ensayo
de la tabla 1. En tal caso, se recomienda el estudio de las
circunstancias particulares.
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Tabla 1 - Relacin entre la clase de descarga de lnea y las
caractersticas de las lneas de transmisin (ver tabla C.1 de la IEC
60099-1) 2.2.3.2 Descargadores de 10 kA y 5 kA, de servicio no
intensivo Para descargadores de 10 kA servicio liviano o no
intensivo y de 5 kA, no se hace ninguna diferenciacin de las
tensiones del sistema, solamente se especifica una prueba de
corriente con forma de onda rectangular. 2.2.4 Clase de alivio de
presin En caso de falla interna de un descargador, la falla de
corriente a travs del descargador no debe causar destruccin
violenta de la envoltura. Por lo tanto, la corriente de falla
soportada por descargador debe ser igual o mayor que la corriente
de falla mxima que lo atraviesa en el punto de instalacin del
descargador. Si se requieren valores ms altos de los que aparecen
en el tabla 7 de IEC 60099-1, el usuario debe consultar al
fabricante. Seccin 3: Descargadores de xido metlico sin explosores
segn IEC 60099-4 3.1 Datos caractersticos de los descargadores de
xido metlico sin explosores 3.1.1 General Las caractersticas bsicas
de los descargadores de xido metlico, son: la tensin de operacin
permanente, la tensin nominal, la corriente nominal de descarga y
la tensin residual a la corriente nominal, la corriente de impulso
a sobretensiones de maniobra y la corriente de frente rpido. Para
cada tensin de operacin permanente y tensin nominal dadas, existen
diferentes tipos de descargadores, y por tanto diferentes niveles
de proteccin. Las otras caractersticas, que deben tenerse en cuenta
en cada aplicacin particular son la clase de descarga de lnea, la
clase del limitador de presin, la capacidad de soportar
contaminacin, la capacidad de lavado bajo tensin y las propiedades
mecnicas especiales. 3.1.2 Tensin de operacin permanente La tensin
de operacin permanente, es el mximo valor admisible de tensin
sinusoidal, de frecuencia de red, que puede ser aplicada
continuamente entre los terminales del descargador. La tensin de
operacin permanente del descargador completo puede ser menor que la
tensin utilizada en los ensayos de funcionamiento, para el
procedimiento de envejecimiento y para la verificacin de la
estabilidad trmica. La menor tensin de operacin permanente puede
deberse a la caracterstica del cuerpo del descargador de soportar
contaminacin o a la distribucin no lineal de tensin a lo largo de
la columna de varistores, causada esta ltima por la menor eficacia
de los dispositivos de fijacin de potenciales intermedios, debida a
los efectos de la proximidad de otros objetos.
Clase de descarga de
larga duracin
Gama aproximada de tensiones de
redes ms elevadas
kV
Longitud aproximada de la
lnea
Km.
Valor aproximado de la impedancia caracterstica de
la lnea
Factor de Sobretensin aproximado
(p.u.)*
1 2 3 4 5
Hasta 245 Hasta 300 Hasta 420 Hasta 525 Hasta 765
300300 360 420 480
450400 350 325 300
3,0 2,6 2,6 2,4 2,2
*La base para los valores p.u. es el valor pico de la mayor
tensin del sistema fase a tierra.
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3.1.3 Tensin nominal La tensin nominal es la mxima tensin de
frecuencia de red que es aplicada en el ensayo de funcionamiento
durante 10 s (vase el artculo 2.8 de la IEC 60099-4). Es adems el
parmetro de referencia para establecer la tensin de frecuencia de
red en funcin de la caracterstica de tiempo del descargador, y
tambin usado para definir los requerimientos de las pruebas para el
ensayo de descarga de lnea. 3.1.4 Corriente de descarga nominal La
corriente de descarga nominal es utilizada para clasificar el
descargador. Es el parmetro principal para las caractersticas de
proteccin y para la capacidad de absorcin de energa del
descargador. 3.1.5 Niveles de proteccin El nivel de proteccin a
impulsos atmosfricos de un descargador, es la mxima tensin
residual, a la corriente de descarga nominal. Esto es aplicable a
la proteccin de los equipos por sobretensiones de frente rpido. El
nivel de proteccin a impulsos de maniobra es la mxima tensin
residual a una corriente especificada de impulso de maniobra. Esto
es aplicable a la proteccin de equipos para sobretensiones de
frente lento. En lo que concierne a la eficacia de proteccin de los
descargadores de oxido metlico contra las sobretensiones de frente
rpido, es necesario conocer el tiempo de retardo en los mecanismo
de conduccin de los varistores por lo que ellos son ensayados a
impulsos de corriente de frente abrupto. 3.1.6 Clase descarga de
lnea Se define por medio de un nmero, y est relacionada con la
capacidad de absorcin de energa de los descargadores de 10 kA y 20
kA para la descarga de lneas largas. Existen en el tabla 4 de la
IEC 60099-4, cinco clases de acuerdo a esta norma, con un
incremento del nmero que indica el aumento de la capacidad de
absorcin de energa. Para descargadores con clase de descarga de
lnea 2 y mayores, la corriente de descarga resultante es utilizada
en los ensayos de funcionamiento para verificar la estabilidad
trmica despus de la absorcin de energa. Los eventos del sistema que
causan corrientes en los descargadores que tienen formas de ondas
diferentes, se pueden evaluar por la comparacin con la energa y la
corriente de una descarga de lnea equivalente. 3.1.7 Clase de
alivio de presin Est dad por un nmero, relacionado a la capacidad
del descargador de soportar fallas de corriente internas sin
destruccin violenta del cuerpo. (Se hace referencia a la clusula
5.11 de IEC 60099-4 y la clusula 8.7 de la IEC 60099-1.) 3.1.8
Caractersticas de soportar contaminacin La capacidad de resistir la
contaminacin de los descargadores se refiere a tres aspectos: a) el
cuerpo del descargador tiene que soportar el estrs de contaminacin
sin contorneo. Esto puede ser verificado conforme a IEC 60507 o est
garantizado por diseo de acuerdo a IEC 60815; b) el descargador
tiene que soportar el posible aumento de temperatura debido a los
cambios en la distribucin de tensin causada por la actividad de
contaminacin en la superficie del cuerpo. Se debe tener en cuenta
el nivel de contaminacin y la frecuencia de amplitud de las
sobretensiones causadas por fallas y operaciones de recierre
durante las condiciones de contaminacin. Los procedimientos de
ensayo adecuados para la verificacin de esta caracterstica, se
encuentran bajo consideracin; c) el descargador tiene que soportar
descargas parciales internas, provocadas por los gradientes de
tensin en el cuerpo, debido a la contaminacin, sin dao de los
varistores o los elementos de montaje internos.
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3.1.9 Caractersticas de lavado bajo tensin Cuando el lavado bajo
tensin de los descargadores esta previsto, se requiere la garanta
de que el cuerpo del descargador no contorneara y que el aumento de
la temperatura de los varistores se encuentre dentro de la
temperatura mxima especificada. Los procedimientos adecuados para
estos ensayos, an no han sido definidos. 3.2 Seleccin de
descargadores de oxido metlico fase a tierra 3.2.1 Tensin de
operacin permanente El requisito bsico es que la cresta de la
tensin de operacin permanente del descargador debe ser mayor que la
cresta de la tensin de operacin. La cresta de la tensin de operacin
se determina por la mayor tensin de frecuencia de red del sistema,
incluyendo las posibles tensiones armnicas. En los sistemas
usuales, el incremento de la tensin de cresta por armnicos puede
ser tenido en cuenta mediante un factor de seguridad de 1,05 de la
tensin de frecuencia de red. Como regla general, la tensin de
operacin permanente debera ser:
- En los sistemas con eliminacin automtica de fallas a tierra,
igual o superior al mas alto valor de cresta de la tensin de
operacin fase a tierra divido por 2 ;
- En sistemas de neutro aislados o conectados por medio de
bobinas de compensacin
sin eliminacin automtica de fallas a tierra, igual o superior a
la ms alta tensin de operacin de lnea.
NOTA: Para estos sistemas, el factor de seguridad de 1,05 se
considera como cubierto por la caracterstica tensin de frecuencia
de red en funcin del tiempo del descargador, tomando en cuenta la
duracin limitada de las fallas a tierra de estos sistemas. Si la
mayor tensin de operacin en la localizacin del descargador no se
conoce con exactitud, sta debe ser reemplazada por la ms alta
tensin del sistema o por la ms alta tensin del equipo. Si el
descargador se instala ms cerca de los objetos activos o aterrados,
que lo recomendado por el fabricante, debe investigarse si la
distribucin de tensin a lo largo del descargador es suficientemente
lineal, para la tensin de operacin permanente seleccionada. 3.2.2
Tensin nominal La tensin nominal de los descargadores, se
selecciona en funcin de las sobretensiones temporales del sistema,
en el lugar de colocacin del descargador, teniendo en cuenta su
amplitud y su duracin. El requisito bsico de que la caracterstica
de tensin de frecuencia de red versus tiempo del descargador debe
ser mayor que la caracterstica de la amplitud de la sobretensin
temporal versus duracin del sistema. La capacidad de resistir la
contaminacin y la capacidad de lavado bajo tensin debe ser
considerada cuando sea apropiado. Las siguientes causas de
sobretensiones temporales debern tenerse en cuenta siempre:
- Sobretensiones por fallas a tierra Estas sobretensiones se
producen en una gran parte del sistema. Una gua para la
determinacin de la amplitud de sobretensiones temporales esta dada
en el anexo A. La duracin de la sobretensin corresponde a la
duracin de la falla (hasta la eliminacin de la misma). En sistemas
con neutro aterrado esto es por lo general menor a 1 s. En sistemas
con neutro conectado por medio de bobina de compensacin, la duracin
de la falla es en general, menor a 10 s. En los sistemas sin
eliminacin de fallas a tierra, la duracin puede ser de varias
horas.
- Rechazo de Carga
Despus de la desconexin de las cargas, aumenta la tensin en el
lado del circuito de la fuente del interruptor de la compaa
operadora. La amplitud de la sobretensin depende de la carga
desconectada y de la potencia de cortocircuito del alimentador
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la subestacin. La sobretensin temporal tiene particularmente
amplitud elevada, despus del rechazo de carga total a nivel de los
generadores, dependiendo de las condiciones de magnetizacin y sobre
velocidad. La amplitud de las sobretensiones por rechazo de carga
usualmente no es constante durante la duracin de las mismas. Para
poder realizar clculos precisos, deben tener en cuenta gran
cantidad de parmetros que normalmente no se encuentran
disponibles.
Como orientacin, pueden utilizarse los siguientes valores tpicos
de dichas sobretensiones.
- En los sistemas moderadamente extendidos, un rechazo a plena
carga puede dar lugar a sobretensiones fase a tierra con amplitud
por lo general por debajo de 1,2 p.u.. La duracin de la sobretensin
depende de la operacin del equipo de control de tensin y puede ser
de hasta varios minutos.
- En los sistemas extendidos, despus de un rechazo a plena
carga, la sobretensin de
fase a tierra puede llegar a alcanzar valores de 1,5 p.u. o
incluso ms cuando ocurre el efecto Ferranti o de resonancia. Su
duracin puede ser del orden de algunos segundos.
- Para rechazo de carga al nivel de los generadores las
sobretensiones temporales
pueden alcanzar amplitudes de hasta 1,4 p.u. para los
generadores turbodiesel y hasta 1,5 p.u. para generadores de energa
hidroelctrica. La duracin es de aproximadamente de 3 s.
- Cuando se conoce la evolucin de la amplitud en funcin del
tiempo, la amplitud
mxima brinda una adecuada representacin de la sobretensin, con
una duracin igual al tiempo durante el cual la amplitud, supera el
90% de este valor.
En algunos sistemas, deben tenerse en cuenta las siguientes
causas de sobretensiones temporales:
- Efectos de resonancia, por ejemplo cuando se cargan largas
lneas en vaco o resonancia entre sistemas;
- Elevacin de tensin a lo largo de las lneas largas (efecto
Ferranti); - Sobretensiones armnicas, por ejemplo al maniobrar
transformadores; - Retroalimentacin a travs de los devanados de
transformadores interconectados; por
ejemplo en una estacin con dos transformadores con una barra del
secundario comn durante la eliminacin de una falla, o por
interrupcin unipolar en un transformador trifsico con carga
secundaria desbalanceada.
Las sobretensiones temporales debidas a ferroresonancia, no debe
constituir la base para la seleccin de los descargadores, ya que la
presencia de este fenmeno debe ser eliminada por medio de un diseo
adecuado. Las sobretensiones temporales por causas secuenciales,
por ejemplo rechazo de carga causado por una falla a tierra, deben
tenerse en cuenta, cuando ambas sobretensiones tienen severidades
comparables. En tales casos, sin embargo, la cantidad de carga
rechazada depende de la localizacin de la falla y la localizacin
del descargador tiene que ser examinado cuidadosamente pues la
falla a tierra puede no estar en el entorno de la ubicacin de este
ltimo. La combinacin de causas, tales como falla a tierra y rechazo
de carga puede dar lugar a una mayor sobretensin temporal que
aquellos valores generados por un evento nico. Cuando tales
combinaciones se consideran suficientemente probables, las
sobretensiones para cada causa tienen que ser combinadas tomando en
cuenta la configuracin del sistema existente. La caracterstica
tensin de frecuencia de red versus tiempo del descargador, debe ser
superior a la amplitud de la sobretensin temporal versus el tiempo
del sistema. Como una
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aproximacin, la amplitud y la duracin de las sobretensiones
temporales, donde la duracin esta comprendida entre 0,1 y 100 s,
puede convertirse en una amplitud equivalente, Ueq, con una duracin
de 10 s (correspondiente a la duracin de la tensin nominal en el
ensayo de funcionamiento):
( )m10Tt/Ut=Ueq (1) Donde: Ut es la amplitud de la sobretensin
temporal; Tt es la duracin de la sobretensin temporal en s; Ueq es
la amplitud del equivalente a 10 s de la sobretensin temporal; y m
es el exponente que describe la tensin de frecuencia de red versus
la caracterstica de tiempo del descargador. Para diseos de
descargadores diferentes el exponente vara entre 0,022 y 0,018
pudiendo utilizar un valor medio de 0,02. La tensin nominal de los
descargadores debe ser igual o superior a la mxima sobretensin
temporal equivalente obtenida. NOTA 1: En algunas aplicaciones, se
requiere un margen de seguridad entre la sobretensin temporal
equivalente mxima y la tensin nominal, con el fin de cubrir las
posibles inexactitudes en la determinacin de la sobretensin.
Valores normales de tales mrgenes estn entre el 5 % y el 15 %. NOTA
2: Cuando se desean niveles de proteccin inferiores al del diseo
del descargador adoptado, a fin de obtener mayor margen de
proteccin con respecto al BIL de los equipos, pueden seleccionarse
tensiones nominales por debajo de la sobretensin temporal
equivalente de 10 s, siempre que el descargador sea capaz de
absorber la energa causada por los eventos del sistema. En este
caso, los clculos de absorcin de energa deben llevarse a cabo para
la simulacin de los eventos del sistema. Adems de una cuidadosa
modelizacin del sistema, es conveniente conocer la dispersin de las
caractersticas tensin-corriente del descargador. NOTA 3: En algunos
casos, se selecciona la tensin nominal de los descargadores
teniendo en cuenta la absorcin de energa durante la descarga de
lnea de transmisin con la desventaja de un mayor nivel de proteccin
de los descargadores que produce un menor margen de proteccin con
respecto al BIL del equipo a proteger. 3.2.3 Corriente de descarga
nominal y clase de descarga de lnea 3.2.3.1 General En la IEC
60099-4, la capacidad de absorcin de energa de los descargadores
est vinculada a la corriente de descarga nominal. Si el valor de
corriente de impulso de gran amplitud no es seleccionado desde la
IEC 60099-4 (como se permite de acuerdo con la nota 1 de la tabla
de dicha norma), la capacidad de absorcin de energa de los
descargadores est relacionado con la corriente nominal de descarga
y al impulso de gran amplitud. Por otra parte, la absorcin de
energa del descargador, debido al esfuerzo de la sobretensin
transitoria del sistema, depende de la caracterstica tensin
residual corriente del descargador y estos, de la corriente de
descarga nominal. La corriente nominal de descarga y la clase de
descarga de lnea, se determinan por ello mediante un proceso
iterativo. 3.2.3.2 Corriente de descarga nominal La corriente de
descarga nominal se selecciona de acuerdo a la corriente de
descarga atmosfrica que atraviesa el descargador, para la cual se
desea proteger al equipamiento. Se pueden aplicar aqu las mismas
consideraciones que para los descargadores con explosores del punto
2.2.2. Como regla general, los siguientes valores son adecuados en
funcin de la descarga de corriente de rayo esperada: Gama I
(superiores a 1 kV, hasta 245 kV): 5 kA 10 kA En los sistemas de la
gama I de IEC 60071-1 donde las distancias entre descargadores son
pequeas (menos de 5 kilmetros), los descargadores para los
transformadores de distribucin con una corriente nominal de
descarga de 5 kA han demostrado ser lo suficientemente fiable,
incluso cuando los transformadores estn conectados a lneas con
postes de madera, cuyas crucetas no se encuentran conectadas a
tierra. En los sistemas con tensin de 72,5 kV y menores, los
descargadores con una corriente nominal de 5 kA pueden ser
suficientes para reas con baja densidad de descarga a tierra y
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efectivo blindaje en las lneas areas entrantes, con impedancias
bajas de pie de torre. Los descargadores con descarga de corriente
nominal de 10 kA, pueden ser preferibles para instalaciones
importantes (necesidad de la mejor proteccin), particularmente en
reas con alta densidad de descarga a tierra o alta resistencias de
tierra. En los sistemas con tensiones ms altas de 72,5 kV,
generalmente se recomiendan descargadores de 10 kA. Gama II: (por
encima de 245 kV): 10 kA o 20 kA Para sistemas con tensiones de
hasta 420 kV y menores, generalmente es suficiente emplear
descargadores con corriente de descarga nominal de 10 kA. Para
sistemas con tensiones por encima de 420 kV, pueden requerirse
descargadores de 20 kA. 3.2.3.3 Capacidad de absorcin de energa -
Los descargadores de xido de metlico deben ser capaces de absorber
la energa debida a las sobretensiones transitorias en el sistema.
Las sobretensiones transitorias severas se derivan de:
- Cierre o recierre de lneas largas;
- Desconexin de bancos de capacitores o cables con reencendido
del interruptor;
- Descargas de rayo en los conductores de lnea con un alto nivel
de aislacin o descarga inversa cercana a la ubicacin del
descargador.
Con los niveles de proteccin conocidos de los descargadores, la
energa que debe ser absorbida por el descargador puede ser estimada
utilizando la siguiente frmula: - Cierre y recierre de lneas
ZTw
)UpsUe(Ups.2=W (2)
Donde: W es la absorcin de energa; Ups es el nivel de proteccin
a impulso de maniobra del descargador; Ue es la amplitud de las
sobretensiones, por ejemplo estimada segn IEC 60071-2; Z es la
impedancia caracterstica de la lnea; Tw es el tiempo de propagacin
a lo largo de la lnea, igual a la longitud dividida por la
velocidad de propagacin de la onda en la lnea; - Maniobra de
capacitor o cable
( )[ ]22 )Ur2(Uo3C21
=W (3) Donde: C es la capacitancia del banco de capacitores o
del cable; Uo es la cresta de la tensin de operacin fase a tierra;
Ur es la tensin nominal de los descargadores (valor r.m.s.). La
energa puede ser compartida con otros descargadores de la misma
fase. El grado de intercambio debe estudiarse. - Rayo
( )( )[ ]Z
TlUplUpl/Uf2ln+1UplNUf2=W (4)
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Donde: ln es el logaritmo natural; Upl es el nivel de proteccin
a impulso del descargador; Uf es la tensin de descarga negativa del
aislamiento de la lnea (tensin de ruptura crtica negativa del
aislamiento de la lnea); Z es la impedancia caracterstica de la
lnea; N es el nmero de lneas conectadas al descargador; Tl es la
duracin equivalente de la corriente del rayo incluyendo tanto al
primero como a los impactos subsiguientes. Valor tpico: de 3 10-4 s
Si las distancias entre subestaciones en el sistema de distribucin
son pequeas, la energa puede dividirse debido a la particin de
corrientes. NOTA: La frmula se ha extrado de la integracin de una
sobretensin con decrecimiento exponencial. En algunos casos, otros
eventos distintos de los mencionados pueden dar lugar a una gran
absorcin de energa por el descargador sin explosores, un ejemplo
tpico es el de la corriente de operacin de fusibles limitadores en
una aplicacin inusual, o si se instalan descargadores con muy bajo
nivel de proteccin. En los ensayos de funcionamiento (clusula 8.5
de la norma IEC 60099-4) el descargador tiene que absorber la
siguiente energa antes de la aplicacin de la tensin nominal: -
descargadores 5 kA y 10 kA de clase de descarga de lnea 1: Estos
descargadores estn sujetos a un impulso de alta corriente en los
ensayos de funcionamiento. La energa producida por el impulso de
alta corriente puede ser estimada por:
T.l.Ua=W (5) Donde: Ua es la tensin residual al impulso de alta
corriente. Si esto no se conoce, puede ser estimado como 1,5 veces
la tensin residual a la corriente nominal de descarga; I es la
amplitud del impulso de alta corriente especificada; T es el tiempo
efectivo del impulso de alta corriente, de 6,5 s; - descargadores
10 kA de clase de descarga de lnea superior o igual a 2, y
descargadores de 20 kA. Estos descargadores estn sometidos a ondas
de maniobra en la prueba de funcionamiento. La energa absorbida por
el impulso esta dada en el anexo E de la IEC 60099-4. La capacidad
de absorcin de energa de un descargador es igual o mayor, que dos
veces este valor.
Para una determinacin ms precisa de la absorcin de energa, deben
llevarse a cabo estudios numricos detallados, teniendo en cuenta
todos los parmetros de las sobretensiones. Si la absorcin de energa
requerida para el servicio es superior a la capacidad de absorcin
de energa del descargador seleccionado, verificada por los ensayos
de funcionamiento, deber seleccionarse una mayor corriente nominal
de descarga, o superior clase de descarga de lnea, o un valor
superior de impulso de alta corriente. Alternativamente, la tensin
nominal del descargador puede ser incrementada, siempre que se
consiga una adecuada proteccin. 3.2.4 Clase de alivio de presin En
el caso de una falla interna de un descargador, la corriente de
falla a travs de l, no debe causar destruccin violenta del cuerpo
del descargador. Por lo tanto, la corriente de falla soportada por
el descargador debera ser igual o mayor que la corriente de falla
mxima a travs del descargador en el punto de instalacin del
mismo.
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Si se requieren valores ms altos que los que figuran en IEC
60099-1, en su tabla de corrientes especficas para los ensayos de
cortocircuitos y la clusula 6.11 del IEC 60099-4, el usuario debe
consultar al fabricante. Seccin 4: Aplicacin de descargadores 4.1
Principio de la coordinacin de aislamiento El principio de
coordinacin de aislamiento segn IEC 60071-1 e IEC 60071-2 necesita
de la determinacin de las tensiones soportadas nominales en cuatro
pasos: a) Sobretensiones representativas al emplazamiento del
equipamiento. b) Tensin soportada de coordinacin del equipamiento
durante su vida til. c) Tensin soportada requerida de los equipos
en condiciones de ensayo normalizados. Esto puede diferir de la
tensin soportada de coordinacin debido al envejecimiento del
aislamiento o debido a la dispersin de fabricacin y armado. Estas
diferencias son compensadas por un factor de seguridad de 1,15.
Para instalacin a altitudes de hasta 1.000 metros, este factor
tambin cubre las correcciones atmosfricas necesarias para el
aislamiento externo. d) Tensin soportada nominal. Esto reconoce las
posibles diferencias de las formas de onda de las tensiones
nominales soportadas y comprende la seleccin de valores en las
tablas de tensiones soportadas normalizadas. 4.2 Proteccin contra
sobretensiones de frente lento La proteccin contra las
sobretensiones de frente lento, tiene gran importancia en la gama
II. En la gama I, el nivel de aislacin estndar del equipamiento es
usualmente tan alto que la proteccin contra sobretensiones de
frente lento generalmente no es necesaria (la excepcin son mquinas
rotativas, vase el apartado 5.2). La sobretensin representativa al
emplazamiento del equipo protegido por el descargador, es igual al
nivel de proteccin a impulso de maniobras, ya que con la excepcin
de lneas de transmisin, los efectos de propagacin de ondas viajeras
pueden no ser tenidos en cuenta y las tensiones a bornes del
equipamiento son iguales a la resultante en el descargador. - Los
descargadores de xido metlico sin explosores son adecuados contra
sobretensiones de frente lento en sistemas con sobretensiones
temporales moderadas, mientras que los descargadores con
explosores, operan a sobretensiones de frente lento solamente
despus de la conduccin de los explosores en serie. Como regla
general, se puede asumir que con descargadores de xido metlico sin
explosores, es posible alcanzar una limitacin a amplitudes de
sobretensiones fase a tierra (valor cresta) de aproximadamente dos
veces la tensin nominal del descargador (valor eficaz). El nivel de
proteccin de los descargadores con explosores es sustancialmente
mayor. Esto significa que los descargadores de xido metlico son
adecuados para limitar sobretensiones de frente lento debido a la
energizacin o re-energizacin de lneas y maniobras de corrientes
inductivas o capacitivas, pero en general no limitan las
sobretensiones causadas por fallas a tierra y por eliminacin de
fallas, donde las amplitudes previsibles de estas ltimas son poco
elevadas. Las sobretensiones causadas por la energizacin y
re-energizacin de lneas producen corrientes a travs de los
descargadores de una amplitud del orden de 0,5 kA a 2 kA. En este
rango de corriente, el conocimiento exacto de la amplitud de
corriente no es importante debido a la extrema alinealidad del
material de oxido metlico. La influencia del tiempo de frente de la
corriente puede ser ignorado para sobretensiones de frente lento.
Por otra parte, tambin pueden ignorarse los efectos de separacin
dentro de la subestacin. Sin embargo el
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aislamiento distante de la subestacin, sobre las lneas areas,
puede recibir las sobretensiones de un nivel mucho mas elevado que
el nivel de proteccin. Los descargadores se instalan generalmente
entre fase y tierra. Si se utilizan descargadores de oxido metlico
para limitar sobretensiones de frente suave a un nivel bajo, las
sobretensiones de fase a fase podran alcanzar alrededor de dos
veces el nivel de proteccin fase a tierra de los descargadores, sin
tener en cuenta o independientemente, del tratamiento del neutro
del transformador. La sobretensiones de fase a fase, constara de
dos componentes de fase a tierra con la mas frecuente subdivisin
1:1. Si se requieren niveles de aislamiento entre fases, menos
elevados, es necesario colocar descargadores adicionales entre
fases. El valor mximo supuesto de la sobretensin fase a tierra
representativa, es igual al nivel de proteccin del descargador.
Para las sobretensiones fase a fase, puede ser hasta dos veces este
valor, cuando no se instalan descargadores entre fases. En el caso
de la proteccin con descargadores contra sobretensiones de
maniobra, se produce una desviacin seria en la distribucin
estadstica de las sobretensiones. Esta desviacin es ms pronunciada
en el nivel de proteccin menor, en comparacin con las amplitudes de
las sobretensiones de frente suave previsible. En esta situacin,
pequeas variaciones en el aislamiento tienen un impacto importante
en el riesgo de falla. Para cubrir este efecto, se propone
determinar el factor de coordinacin determinista, que depende de la
relacin entre el nivel de proteccin del descargador y el valor al
2% de las sobretensiones previsibles.
1,1Kcd7,02Ue
Ups = (6)
2UeUps2,024,1Kcd2,1
2UeUps7,0 = (7)
0,1Kcd2Ue
Ups2,1 = (8) Y la coordinacin de la tensin soportada a impulso
de maniobra es:
Ups.Kcd=Ucw (9) Donde: Ups es el nivel de proteccin a impulso de
maniobra del descargador; Ue2 es el valor al 2% de la amplitud de
la sobretensin a frente lento previsible entre fase y tierra; Ucw
es la tensin soportada de coordinacin a impulso de maniobra del
equipamiento; Kcd es el factor de coordinacin determinista. NOTA:
El factor de 1,0 a 1,1 tiene en cuenta la alta probabilidad de las
sobretensiones con amplitudes igual al nivel de proteccin debido al
truncamiento de la distribucin de las sobretensiones por el
descargador. Esta probabilidad es mayor, cuanto menor es el nivel
de proteccin. Debido a la incertidumbre en resistir del equipo, el
margen entre la tensin soportada y el nivel de proteccin, debera
ser incrementado con el aumento de la probabilidad de sobretensin,
para mantener un determinado nivel de riesgo. 4.3 Proteccin contra
sobretensiones atmosfricas
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4.3.1 General Debido a la elevada pendiente de las
sobretensiones atmosfricas, no pueden pasarse por alto los efectos
de propagacin de ondas viajeras entre el descargador y el
equipamiento. Como regla general, la tensin a los bornes de los
equipos protegidos es mayor que la tensin residual del descargador
(ver 4.3.2.). Por lo tanto, siempre es una buena practica, la de
reducir las distancias de separacin entre el descargador y la
mayora de los equipos importantes a un mnimo. Sin embargo, a veces
es posible proteger a ms de un equipo con un nico descargador
instalado, siempre que pueda limitarse la pendiente como en el caso
de que tanto la estacin y las lneas areas de alimentacin estn
efectivamente protegidas por hilos de guarda. La proteccin por
cable de guardia de las lneas y de la estacin es un factor
importante en la ubicacin del descargador dentro de una estacin.
Normalmente es posible proporcionar blindaje de la estacin, aunque
las correspondientes lneas asociadas estn sin blindaje. El blindaje
de la estacin reduce la probabilidad de altas tensiones y
escarpados frentes de onda dentro de la estacin, resultantes de
descargas de rayos de alta corriente. Sin embargo, debe reconocerse
que la mayora de las descargas ser en las lneas, que crean ondas
viajeras que se propagan hasta la estacin. Si las lneas estn
protegidas, las ondas entrantes en la estacin son menos severas que
la de las lneas sin blindaje. Consecuentemente la magnitud de la
corriente de los descargadores es menor, resultando en una menor
tensin residual y en una mejor proteccin del equipamiento. Las
instalaciones no protegidas por hilo de guarda son sometidas a
descargas de rayos ms elevadas y a una pendiente de frente de onda
de tensin ms alta. Es recomendable el reducir al mnimo posible la
distancia de separacin entre los descargadores y las instalaciones
en donde no se utiliza blindaje completo. En el caso de
instalaciones protegidas con hilo de guarda con una sola lnea area
entrante no protegida con hilo de guarda, los descargadores deben
ser localizados tan cerca como sea posible de los terminales del
equipamiento a ser protegido (generalmente un transformador).
Cuando varias lneas areas entrantes sin blindaje se renen en la
estacin, la amplitud de las sobretensiones y pendientes son
limitadas por la divisin mientras que la frecuencia de aparicin
aumenta. Sin embargo, es necesario considerar el caso en que una o
ms lneas queden fuera de servicio, as como la probabilidad de
ocurrencia de dichas actividades durante tormentas elctricas. Si
uno o ms interruptores o seccionadores quedan abiertos en la
estacin, las entradas de las lneas correspondientes a ciertas
partes de la estacin pueden quedar fuera de la proteccin de los
descargadores situados a nivel de los transformadores. Las
descargas de contorneo de la aislacin de una lnea desenergizada no
es probable que cause dao al aislamiento de la lnea, pero el
aislamiento de otros equipos como interruptores, transformadores de
tensin y corriente conectados del lado de la lnea podran ser
daados. Si estos casos son reconocidos como posibles, se necesita
proteccin adicional, pudiendo los descargadores ser instalados en
las respectivas lneas de entrada. Las tensiones incidentes
provenientes de lneas con hilo de guarda son de menor pendiente y
amplitud que las de las lneas sin blindaje. En muchos casos, esto
permitir una cierta separacin entre los descargadores y la aislacin
a proteger. En el caso de una sola lnea area protegida por cable de
guarda, un conjunto de descargadores puede ser localizado en un
punto que provea proteccin para todo el equipamiento, dando
preferencias al transformador. El mtodo en 4.3.2 puede ser
utilizado para determinar la mxima distancia de separacin entre los
descargadores y el transformador. En estaciones con mltiples lneas
areas blindadas (asociada a grandes instalaciones con
transformadores, interruptores y equipos de medicin), los
descargadores no siempre son situados en los terminales de cada
transformador. El mtodo descrito en 4.3.2 puede usarse para estimar
las mximas distancias de separacin. Las instalaciones ms
importantes, pueden justificar un estudio detallado de
transitorios.
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Tales estudios e interpretaciones de sus resultados estn fuera
del alcance de este texto. Existen dos soluciones para la
utilizacin de descargadores para la proteccin de equipamiento
contra las sobretensiones atmosfricas:
- Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulso
atmosfrico necesaria para el nivel de proteccin y la distancia de
separacin del descargador. La tensin soportada nominal de impulso
atmosfrico, luego se obtiene multiplicando el valor determinado
previamente por el factor de 1,15 (ver clusula 4.1).
- Determinar la zona de proteccin del descargador, que es igual
a la distancia de
separacin mxima, para la cual las exigencias de la coordinacin
del aislamiento se cumplen para el nivel de proteccin del
descargador y para una tensin soportada dada de coordinacin. Esta
se obtiene dividiendo la tensin soportada nominal de impulso
atmosfrico del equipamiento por 1,15 (ver 4.1)
En principio, ambas alternativas requieren la determinacin de la
forma de la sobretensin verdadera en el equipo protegido y su
tensin asociada con esa forma. Puede asumirse, como una
simplificacin suficiente y adecuada, que este requerimiento est
cubierto bajo las siguientes condiciones:
- Para descargadores con explosores: La tensin de cebado sobre
el frente de onda es comparada con la tensin soportada de impulso
atmosfrico cortado del equipamiento; y/o La tensin de cebado a
impulso atmosfrico y la tensin residual a la corriente de descarga
nominal (8/20) se comparan con la tensin soportada a impulso
atmosfrico del equipamiento.
En lo que concierne a los transformadores con aislamiento de
papel impregnado, ambas variantes dan aproximadamente el mismo
resultado. Por otra parte, para los grandes transformadores, la
capacitancia de entrada reduce la pendiente de la sobretensin que
incide. Por lo tanto, la consideracin de la tensin de cebado sobre
el frente de onda, puede omitirse.
Si el equipamiento situado en la lnea de entrada de la
subestacin tiene un esfuerzo soportado a impulso atmosfrico cortado
menor al 15 % por encima del impulso pleno (BIL), puede ser
necesaria la consideracin de tensin de cebado sobre el frente de
onda. Para subestaciones aisladas con gas (GIS) las ondas
transmitidas y reflejadas dentro de la subestacin causan un
decremento de la pendiente de la onda incidente, provocando el
cebado del descargador a tensiones menores que la tensin de cebado
sobre el frente de onda. Como una simplificacin, por lo tanto, los
efectos del cebado de frente de onda del descargador puede no
tenerse en cuenta o, alternativamente, pueden llevarse a cabo
clculos de ondas viajeras.
- Para descargadores de oxido metlico sin explosores:
La tensin residual a descarga de corriente nominal y/o a impulso
de corriente de frente rpido, se compara con la tensin soportada a
impulso atmosfrico del equipamiento. Las sobretensiones de rayo
representativas de la proteccin esperada, provocan habitualmente
corrientes que atraviesan el descargador, donde los tiempos de
frente de la corriente son ms prximos a 1 s que a 8 s. Puede
justificarse el uso de la tensin residual a impulsos de corriente
de frente rpido, lo que resulta entonces en una sobretensin
aproximadamente el 5% mayor que la tensin residual a corriente
nominal de descarga. Los clculos comparativos han demostrado que
este efecto es similar al efecto de cebado sobre el frente de onda
de los descargadores de carburo de silicio (Csi) que tienen
explosores y se aplican las mismas consideraciones.
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NOTA: Para aislaciones en aire, estos procedimientos pueden dar
lugar a un resultado demasiado conservativo debido al retardo en el
cebado o contorneo de la aislacin, que suele expresarse como curvas
tensin - tiempo. Resultados ms precisos puede obtenerse de clculos
de propagacin de ondas, donde este retardo en el contorneo es
tomado en cuenta. Consideraciones similares se aplican a otros
aislamientos para los que el comportamiento de la ruptura se
conoce. 4.3.2 Mtodo simplificado para la proteccin contra rayos La
experiencia con equipamiento de subestacin existente, ha demostrado
que, si los factores que influyen dados en 4.3.1 se tienen en
cuenta, la tensin soportada de coordinacin a impulso de rayo puede
ser determinada a partir de la frmula emprica (10), que considera
las caractersticas fundamentales del comportamiento de las
sobretensiones de rayo en las estaciones (vase el IEC 60071-2).
Lf+LspLt
NA
+Upl=Ucw (10)
Donde: Lf = Ra / r es la longitud de las lneas areas prxima a la
estacin, que da la tasa de eventos de descargas de rayos igual a la
tasa de falla aceptable. La fraccin derecha multiplicada por A/N es
proporcional a la pendiente de las ondas incidentes
representativas. Debe tenerse en cuenta que en las formulas (10),
(11) y (12), deben utilizarse unidades compatibles; Ucw es la
tensin soportada de coordinacin a impulso de rayo; A es la tensin
de acuerdo con la tabla 2, describiendo la performance a descarga
de las lneas areas conectadas a la estacin; Upl es el nivel de
proteccin a impulso de rayo; N es el nmero de lneas conectadas a la
subestacin (N = 1 o N = 2); Lt es la longitud total d + d1 + d2 +
dA, de la figura 2; Lsp es la longitud del vano; Lf es la longitud
de la seccin de la lnea area con una tasa de salida igual a la tasa
de falla aceptable; Ra es la tasa de falla aceptable (nmero de
fallas por unidad de tiempo) para el equipamiento protegido; r es
la tasa de salidas de una lnea area (nmero de salidas por unidad de
tiempo y unidad de longitud) por ao, para el diseo correspondiente
al primer kilmetro por delante de la estacin. Si N = 2, las tasas
deben ser aumentadas. Tasas de fallas usuales aceptables del
equipamiento protegido son, como se indica en la IEC 60071-2, entre
0,1 y 0,4 % por ao. En los ejemplos de la tabla 3, se emplea un
valor tpico de 0,25 % por ao. Para lneas de distribucin, los
valores tpicos de las tasas de salidas son usualmente grandes
comparadas con las tasas de falla aceptable, por ejemplo: si la
longitud Lf de la lnea area es pequea, puede no ser tenida en
cuenta. La formula (10) es entonces simplificada a:
LspLt
NA
+Upl=Ucw (11)
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Figura 2a Instalacin sin malla de tierra (sistemas de
distribucin)
Figura 2b Instalacin con malla de tierra (estaciones
transformadoras)
Figura 2 Diagrama de acometida de los descargadores para la
proteccin de equipamiento.
Donde: d es la distancia entre el terminal de alta tensin del
equipo protegido y el punto de conexin del conductor de alta tensin
del descargador; d1 es la longitud del conductor de alta tensin del
descargador; d2 es la longitud del conductor de tierra del
descargador; A es el descargador; dA es la longitud del
descargador; Ze es la impedancia de tierra; T es el objeto
protegido; U es la onda de sobretensin incidente.
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Las sobretensiones inducidas por descargas de rayos, necesitan
ser consideradas en sistemas de distribucin, donde el equipamiento
no esta protegido contra descargas de rayos directas a los
conductores o contra la descarga inversa. (Detalles y
recomendaciones son objeto de examen en CIGRE.) NOTA: La formula
(10), describe la cada de tensin p.u. en funcin del comportamiento
con respecto a la descarga de rayo de la lnea area conectada al
equipamiento, al diseo de la subestacin y a la tasa de falla
aceptable adoptada para el equipamiento. Usando el conocimiento
existente del comportamiento de las descargas de rayo en lneas
areas y de la atenuacin de los efectos corona, la constante A ha
sido determinada de manera a obtener una adecuacin entre las
tensiones soportadas calculadas con la formula (10) y