No debe operar con sobretensiones temporales a frecuencia industrial.
Las tensiones y sobretensiones a considerarse con respecto al uso de los dispositivos de protección son:
Voltaje normal de funcionamiento (tensión más elevada del sistema).
Sobretensiones temporales (TOV),
Sobretensiones de frente lento (sobretensiones por maniobra),
Sobretensiones de frente rápido (sobretensiones atmosféricas).
Fig1 Magnitud de las tensiones y sobretensiones en función de su duración. REF [1]
Existen dos tipos de elementos de protección estandarizados de acuerdo con la Norma IEC 71-2, sin decir que estos sean la única alternativa de protección. Estos son:
Pararrayos tipo resistencia no lineal con explosores en serie.
Pararrayos de óxido metálico (óxido de cinc) sin explosores.
En sistemas con neutros sólidamente conectados a tierra y con poca presencia de sobretensiones temporales, el uso de pararrayos de óxido metálico sin explosores se ha extendido en gran manera, debido a su característica de protección superior ante sobretensiones de frente lento. [1]
Mientras que, pararrayos con explosores se adaptan de mejor manera para la protección de sistemas con neutro aislado o con conexión a tierra resonante, en los que las sobretensiones temporales debidas a fallas a tierra pueden llegar a ser de larga duración. Así como para la protección de redes en el Rango I y en particular en sistemas con tensiones correspondientes a las más bajas de este rango. [1]
De lo expuesto anteriormente y considerando que el sistema en estudio corresponde al sector de 500 kV de la Subestación Pifo (Rango II), e incluirá el neutro sólidamente conectado a tierra, el dispositivo de protección contra sobretensiones compatible con las características del sistema es el pararrayos de óxido metálico sin explosores. [1]
Pararrayos tipo resistencia no lineal con explosores en serie
Estos pararrayos se basan en el uso de resistores de óxido metálico, en su gran mayoría, óxido de cinc. La principal característica de los resistores de óxido metálico es la extrema no linealidad de su relación voltaje – corriente. En consecuencia, el comportamiento del pararrayos variará según la corriente que circule a través de él. [2]
Al contrario, si las corrientes que circulan a través del pararrayos son corrientes de impulso en el orden de kiloamperios, como es el caso de las corrientes asociadas a sobretensiones atmosféricas o de maniobra, el pararrayos se comporta como un conductor, descargando a tierra estas corrientes y haciendo que la tensión resultante en sus terminales no sea excesivamente alta. [2]
Fig2 Voltaje – corriente de un pararrayos con nivel de
Protección a impulsos atmosféricos a corriente de descarga de 10 kA REF [2]
En la zona de operación con tensiones de frecuencia industrial, si bien las corrientes a través del pararrayos son pequeñas comparadas con las corrientes de descarga, su duración es mucho mayor, razón por la cual, el esfuerzo térmico del pararrayos en la zona de frecuencia industrial es más crítico que en la zona de protección. [2]
Es así que un pararrayos de óxido metálico deberá ser identificado por sus datos de placa con al menos las siguientes especificaciones:
- Voltaje de operación continua.
- Tensión asignada.
- Frecuencia asignada (si difiere de las frecuencias estándar: 50 y 60 Hz).
- Corriente nominal de descarga.
- Corriente sostenida de corto circuito asignada en kA.
- Nombre del fabricante y código de identificación.
- Identificación de la posición de los elementos para el ensamblaje.
- Año de fabricación.
- Número de serie.
- Clase de descarga de línea (opcional).
- Nivel de soporte a la contaminación del revestimiento del pararrayos
Voltaje de operación continua.
Se define como el valor máximo permisible de voltaje sinusoidal r.m.s de frecuencia industrial que se puede aplicar continuamente entre los terminales del pararrayos, sin presentar problemas térmicos. [2]
El criterio para la selección de Vc es que su valor pico debe ser mayor que el valor pico del voltaje más elevado de operación en el sitio de ubicación del pararrayos. En caso de que el voltaje más elevado de operación al sitio del
pararrayos no se conozca con precisión, se debe considerar la tensión más elevada del sistema (Vs) o la tensión más elevada para el equipo (Vm).
Tensión asignada de un pararrayos según norma IEC (Vr).
Corresponde al máximo valor de tensión eficaz de frecuencia industrial que al ser aplicado durante 10 s entre los terminales del pararrayos no altera el correcto funcionamiento del mismo.
Por lo tanto, Vr se relaciona con la capacidad del pararrayos para soportar sobretensiones temporales. Algunos fabricantes
especifican este valor como TOV o capacidad de sobretensiones temporales y por lo general se lo define para 1 y 10 s. [2]
Tensión nominal del descargador,
El concepto de tensión nominal que usa el fabricante es congruente con el dado por la norma. Es decir, la tensión nominal está relacionada con la capacidad que tiene el pararrayos de operar frente a las sobretensiones temporales del
sistema en un período definido de tiempo. Sin embargo el procedimiento empleado por el fabricante para definir el valor de la tensión nominal está basado en criterios prácticos. [2]
Norma IEC vs fabricantes.
Al comparar la definición y el método de determinación de la tensión nominal de un pararrayos dada en la norma con lo expuesto por los fabricantes (ABB y Siemens), se puede identificar que si bien ambos relacionan a la tensión nominal con la capacidad del pararrayos para soportar sobretensiones
temporales, difieren en el período de tiempo en que la tensión nominal puede ser aplicada. [2]
Corriente nominal de descarga In.
Se define como el valor pico de una corriente tipo rayo normalizada de 8/20, y sirve para hacer una clasificación de los pararrayos, según se muestra en la siguiente tabla .Además, es el principal parámetro para establecer el nivel de
Protección y la capacidad de absorción de energía de un pararrayos. [2]
Nivel de protección del pararrayos.
El nivel de protección ante un impulso tipo rayo se define como el máximo valor de tensión residual a corriente nominal de descarga y se aplica para la protección de los equipos contra sobretensiones de frente rápido, como es el caso de las sobretensiones por descargas atmosféricas. La eficacia de protección ante tales sobretensiones, es función del tiempo de retraso en el mecanismo de conducción de los varistores. [2]
Tabla 1Tensiones residuales para pararrayos de 20 y 10 kA en p.u de la tensión asignada [3].
Se debe tener presente que el nivel de protección de un pararrayos representa una tensión entre sus terminales producto de la circulación de una corriente normalizada de prueba cuyo valor corresponde a la corriente nominal de
descarga. Esto significa que la tensión en los terminales del equipo a proteger no es igual al nivel de protección, sino que puede ser considerablemente mayor. Esto se debe principalmente al efecto de reflexión y superposición de las ondas de sobretensión en función de la distancia de separación entre el pararrayos y el equipo, y a la posibilidad de tener corrientes de descarga mayores que la corriente nominal, aunque esta última es menos probable. Este hecho deberá ser
considerado en el proceso de coordinación de aislamiento. [2]
Clases de descarga de línea.
Se identifica como un número relativo a la capacidad de absorción de energía de los pararrayos de 10 y 20 kA, aplicables para la descarga de líneas de gran longitud. De acuerdo con la norma IEC 60099-4 se definen cinco clases para las que, al incrementar el número de clase se incrementa también la capacidad de absorción de energía del pararrayos, así para los pararrayos de 10 kA se definen las clases de 1 a 3, mientras que para pararrayos de 20 kA se definen las clases 4
y 5. [3]
Cierre y recierre de líneas:
(1)
Donde:
W es la energía a ser absorbida.
Vps es el nivel de protección del pararrayos al impulso de maniobra (kV).
Ve es la amplitud de la sobretensión (kV).
Z es la impedancia característica de la línea
Tw es el tiempo de propagación de la onda a través de la línea,
cuyo valor corresponde al cociente entre la longitud de la
línea (km) y la velocidad de propagación de la onda en la
línea (km/?s).
Maniobra sobre un capacitor:
(2)
W es la energía a ser absorbida.
C es la capacitancia del banco de condensadores.
Vo es el valor pico entre fase y tierra del voltaje de operación del sistema.
Descargas Atmosféricas:
(3)
Donde:
W es la energía a ser absorbida.
Vpl es el nivel de protección del pararrayos al impulso tipo rayo.
Vf es la tensión disruptiva de polaridad negativa del aislamiento de la línea.
Z es la impedancia característica de la línea.
N es el número de líneas conectadas al pararrayos.
Tl es la duración equivalente de la corriente de rayo que incluye a la primera y a las subsiguientes descargas. Toma un valor típico de 3*10-4 s. [3]
En la práctica la capacidad de absorción de energía del pararrayos se define únicamente en función de la expresión 1 Esto se debe a que las generadas por el cierre y recierre de líneas son las sobretensiones de frente lento más severas en sistemas del Rango II y por lo tanto exigen mayor capacidad de absorción.
Tabla 3 Valores típicos de impedancia característica
Una vez calculada la energía que el pararrayos debe ser capaz de absorber, se debe calcular la energía específica, dividiendo la energía a ser absorbida para el valor eficaz de la tensión nominal. Así: [3]
(4)
Clase de alivio de presión
Se refiere a la capacidad de corriente de cortocircuito del pararrayos, es decir, a la capacidad de soportar corrientes de falla internas sin producir la explosión violenta de su revestimiento o cubierta, ya que esto podría ocasionar daños a los equipos circundantes o daños personales. Por lo tanto, el criterio para la especificación de un pararrayos será seleccionar una clase de limitador de presión mayor o igual a la máxima corriente de falla que se pueda presentar. [3]
Los dispositivos de alivio de presión consisten de diafragmas que permiten evacuar los gases ionizados del interior del pararrayos. La Figura 3 muestra el diafragma como parte del sistema de sallado y el proceso de alivio de presión en un pararrayos. [3]
Dado que no todos los pararrayos cuentan con un dispositivo de alivio de presión, la denominación de "clase de alivio de presión" se ha visto remplazada por la de "capacidad de corto circuito" del pararrayos.
Fig 3 Sistema de sellado y alivio de presión de un pararrayos con revestimiento de porcelana [15]. (b) Proceso de alivio de presión [3], (1) Pararrayos sano, (2) Pararrayos con falla interna, el dispositivo de alivio de presión empieza la evacuación de los gases ionizados, (3) El arco interno se traslada hacia el exterior para evitar la explosión.
Condiciones normales de servicio
Los pararrayos especificados bajo la Norma IEC60099-4 cumplen con las siguientes condiciones normales de funcionamiento:
Temperatura ambiente de entre -40ºC y +40ºC.
Radiación solar máxima: 1.1 kW/m2
Frecuencia de la fuente de alimentación entre 48 y 62 Hz.
La tensión de frecuencia industrial aplicada continuamente entre los terminales del pararrayos no debe superar a la tensión de operación continua del mismo.
Condiciones mecánicas (bajo consideración, verificar con el fabricante).
Condiciones de contaminación
Velocidad del viento menor a 34 m/s.
Montaje vertical. [3]
Por lo tanto durante la selección del pararrayos, es necesario verificar que se cumpla con las condiciones antes descritas. En caso de no cumplir con alguna de estas condiciones, se deberá solicitar al fabricante un pararrayos apropiado para operar bajo las condiciones reales al sitio de instalación. En la práctica es
común que el fabricante supere los requisitos de la norma en sus modelos estándares. [3]
Principios de selección y aplicación del pararrayos
El criterio general para la selección de un pararrayos es analizar y contrastar las características del descargador con los requerimientos del sistema en estudio. Las características a ser analizadas se han dividido en dos grandes grupos que son:
Las características eléctricas.
Las características mecánicas y medioambientales.
Características eléctricas.
Las características eléctricas corresponden con las características descritas en la sección anterior. La Figura muestra la relación que debe existir entre los parámetros del sistema frente a los parámetros del pararrayos. Se puede observar que el voltaje de operación continua del pararrayos (Vc) debe ser
mayor que la tensión máxima del sistema (Vs), que el pararrayos debe ser capaz de soportar las sobretensiones temporales que se puedan presentar y que los niveles de protección del pararrayos frente a descargas atmosféricas y de
maniobra (Vpl y Vps) sean inferiores a los niveles de aislamiento respectivos (Vwl y Vws).
Fig 4 Características que debe cumplir el pararrayos frente a las características del sistema
A continuación, y en base a todos los criterios expuestos anteriormente se describe el procedimiento recomendado para la selección del pararrayos. [3]
Determinar el voltaje de operación continua del pararrayos en función de la tensión más elevada del sistema.
Determinar la tensión asignada o nominal (Vr) en función de las sobretensiones temporales del sistema.
Estimar la magnitud de las corrientes de descarga de rayo que se prevé atravesarán al pararrayos así como los requerimientos de descarga de línea para proceder a seleccionar la corriente nominal de descarga.
Determinar las características de capacidad de absorción de energía y clase de descarga de línea.
Seleccionar la clase de limitador de presión en función de la corriente de falla esperada.
Seleccionar un pararrayos que satisfaga con los requerimientos hasta aquí analizados. [5]
Determinar y seleccionar las características de protección del pararrayos ante impulsos tipo rayo y tipo maniobra.
Ubicar al pararrayos tan cerca como sea posible del equipo a ser protegido. [5]
Determinar la tensión soportada de coordinación a impulsos de maniobra, tomando en cuenta las sobretensiones de frente lento representativas. [5]
Determinar la tensión soportada de coordinación a impulsos tipo rayo, tomando en cuenta:
La sobretensión por descarga atmosférica incidente representativa determinada por el comportamiento de la líneaconectada al pararrayos frete a la descarga atmosférica y una tasa de falla aceptable para el equipo protegido[5].
La configuración de la subestación.
La distancia entre el pararrayos y el equipo a proteger.
Protección contra sobretensiones temporales.
En la práctica los pararrayos no limitan sobretensiones temporales, por lo que no se consideran dentro de las características de protección. Salvo casos especiales, como es el de sobretensiones temporales por resonancia, que ameritan el uso de pararrayos para limitar e incluso prevenir la sobretensión. [6]
Protección contra sobretensiones de frente lento.
Esta consideración es únicamente relevante en sistemas del Rango II puesto que para sistemas de voltaje inferior el nivel de aislamiento del equipo es lo suficientemente alto como para hacer innecesaria la protección contra las sobretensiones de frente lento. [6]
Protección contra sobretensiones de frente rápido.
Debido a la alta tasa de crecimiento de la pendiente del frente de onda de estas sobretensiones, los efectos de propagación de la onda entre el pararrayos y el equipo a proteger deben ser tomados en cuenta y la distancia de separación entre ellos juega ahora un papel importante. Como regla general, ocurre que el voltaje en el equipo protegido es mayor que la tensión residual del pararrayos. [6]
En una subestación la incidencia de una descarga atmosférica podría darse de dos maneras. La primera es considerar la caída del rayo dentro del patio de la subestación afectando directamente a los equipos y la otra es que el rayo incida sobre la línea de transmisión asociada a la subestación, en cuyo caso, se forman olas de sobretensión que se propagan a través de las líneas hasta alcanzar los equipos.
Los objetivos que se logran alcanzar con las subestaciones son conseguir la máxima seguridad, flexibilidad y continuidad de servicio con los mínimos costes de inversión y operación que satisfagan los requisitos del Sistema Eléctrico y para ello, las subestaciones deben poseer unos sistemas de protección que les ayuden a realizar su cometido.
Aún en los casos en que los sistemas eléctricos estén cuidadosamente diseñados, conservados y explotados, siempre existen posibilidades de que se produzcan incidentes y, en tal caso, éstos deben ser eliminados de tal forma que quede desconectada del sistema la menor parte posible, a fin de que éste siga funcionando en la mayor parte posible, objetivo logrado con la implantación de equipos de protección.
Una vez diseñado el sistema de protecciones, su funcionamiento debe estar correctamente coordinado. El ajuste y la coordinación de las protecciones, tienen por objetivo asegurar que se cuenta con un sistema de protección principal y de respaldo de tal manera que la protección principal debe proteger totalmente el sistema eléctrico y eliminar cualquier falta en el menor tiempo posible. Las protecciones de respaldo que constituyen la segunda instancia de actuación de la protección y deberán tener un retraso en el tiempo, de manera que permitan la actuación de la protección principal en primera instancia.
[1] W.D Stevenson, Analisis y protecciones en sistemas de Potencia, McGraw Hill,tercera edición ,Mexico, Biblioteca Personal.
[2]Fitzgeral ,A.E Electric Machinery,Nueva york,McGraw Hill, 1952.
[3]McPherson, Gerge, An introduction to Electric Lines and Protections,Nueva York ,wiley ,1981
[4]Vithayatil, Joseph, Power and lines, Principle and Application,Nueva York:Mc Graw Hill
Links:
[5]www.protecioneselectricas. com /mt.
Autor:
Tema : Substaciones y Gurdas.
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