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• Manuel Guijarro

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE INDICE Esto si

„

PARARRAYOS „

CONCEPTOS GENERALES

„

CRITERIOS DE SELECCIÓN

„

ESTUDIO CON EL ATP

Pararrayos ve sobrentension temporal de rayo y maniobra, no la de frecuencia 50 Hz

LCOE-FFII

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2009

LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

DEFINICIONES PARARRAYOS “APARATO DESTINADO A PROTEGER EL MATERIAL ELÉCTRICO CONTRA SOBRETENSIONES TRANSITORIAS ELEVADAS, A LIMITAR SU DURACIÓN” PARARRAYOS DE OXIDOS METÁLICOS “PARRAYOS QUE TIENE CONECTADAS LAS RESISTENCIAS NO LINEALES DE ÓXIDOS METÁLICOS EN SERIE Y/O EN PARALELO Y SIN EXPLOSORES”

LCOE-FFII

Conjunto de dos electrodos entre los cuales se hace saltar una chispa eléctrica

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LCOE „

PARARRAYOS PARA CABLES

OXIDOS DE Zn + OXIDOS DE Bi, Co y Ni Curva característica de un pararrayos

U= Uref → I= 1 mA U= 2. Uref → I= 10 kA

Muy pequeñas estas corrientes.

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LCOE

„

PARARRAYOS PARA CABLES

TENSIÓN DE REFERENCIA (Uref) ‹

MIN Û(f.i) / √2 → I = Iref ( CODO CARACT. U/I)

‹

Uref > Ur

El pararrayos cuando se calienta cambia su característica. Si tiene 100 grados su característica pasa hacia la derecha, y eso es malo. Si está más a la derecha la corriente será mayor. Y ese fenómeno puede ser progresivo hasta destrucción. Si se sobrecalienta en régimen normal entonces va calentándose hasta que explota.

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

Si se eligen correctamente entonces hay estabilidad térmica

„

EVITAR INESTAB. TÉRMICA

→ OK. SELEC.

Uc = f (SOBRETEN. DURA., p.e. F-T) ‹ TEMPERATURA AMBIENTE ‹ CONTAMINACIÓN ‹

„

CAPACIDAD DE DESCARGA:

Se pueden conectar en paralelo

CONEXIÓN EN PARALELO BLOQUES DE OZn ‹ DISTRIBUCIÓN W ENTRE VARIOS PARARRAYOS ‹

MISMA SUBESTACIÓN ) SUBESTACIÓN PRÓXIMA )

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PARARRAYOS PARA CABLES

Potencia

„

DESCARGA DE W POR EFECTOS COMBINADOS: W DEBIDA AL RAYO EN LÍNEA AÉREA ‹ FALTA F-T ‹ SOBRETEN. TEMPORAL EN FASES SANAS → W ‹ APERTURA INTERR → SOBRET. MANIOBRA → W ‹ REENGANCHE INTERUPT. → SOBRET. MANIO → W ‹

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LCOE „

PARARRAYOS PARA CABLES

TENSIÓN FUNCIONAMIENTO CONTINUO Uc Puede estar de por vida. Uef (f.i.) PERMANENTE ‹ Uc PUEDE SER < U ENSAYO FUNCIONAMENTO (10 s)

‹

„

TENSIÓN ASSIGNADA Ur

Ur

Se asocia a 10 segundos.

MAX Uef (f.i.) DURANTE 10 s ENSAYO FUNCIONAM. ‹ REFERFENCIA CURVA SOBRETENS. TEMPORAL ‹

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LCOE

„

PARARRAYOS PARA CABLES

TENSIÓN DE FUNCIONAMIENTO CONTINUO Uc ‹ ‹

Ûc > Û SERVICIO U (PARARRAYOS) > U ( RED) Uc . Tc > k . Us / √3 =Ut

La tensión de funcionamiento continuo es mayor que la de servicio

Ut es igual a K por la tensión más elevada de la red, de fase.

Tensión más elevada de la red.

SOBRETENSIÓN TEMPORAL Conexión del neutro Neutro rígido a tierra Neutro no rígido a tierra Neutro aislado El valor de k depende de la conexión del neutro

k Tc K ≤ 1,4 1,4 ≤ k ≤ 1,73 1,73 ≤ k ≤ 1,9

tiempo Página-8

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

Causas más comunes de provocar sobretensiones temporales y transitorias de frente lento.

„

DEFECTO A TIERRA ‹

Ut = k . Us / √3 )

NEUTRO AISLADO • k = √3

)

NEUTRO A TIERRA • k = 1,4 - 1,7

Fórmula para calcular la tensión de servicio continuo

„

‹

Ur ≈ c . Ut )

c = 1,05 - 1,15

OTRAS CAUSAS: PÉRDIDA CARGA ) RESONANCIAS ) EFECTO FERRANTI (LÍNEAS GRAN LONG.) ) ARMÓNICOS, ETC )

Esta diapo tiene que ir después de la 10

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

TENSIÓN ASIGNADA Ur

„

‹

CONSIDERAR SOBR. TEMPORALES Ut ( Tt= 0,1 s - 100 s)

‹

( U SOPORTADA f.i. , 10 s ) > SOBRETEN (Ut, Tt ) RED

= Ut . ( Tt / 10) m , donde m=m( tipo pararr) ∼ 0,02 ) Ur ≥ (1,05-1,15%) . Ueq ) Ueq

La tensión que se soporta en las fases sanas es mayor que la tensión asignada

Sobretensión temporal

No

‹

)

Ut= k . Us / √3

CUANDO ES PRECISO ↓ N.P. ) )

La Ueq es sobretensión transitoria

Ur < Ueq SIEMPRE QUE Wr > W red Página-10

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PARARRAYOS PARA CABLES

CARACTERÍSTICAS „

CONDICIONES DE SERVICIO ‹

TEMPERATURA -40 ºC A + 40 ºC

‹

RADIACIÓN SOLAR 1,1 kW/m2

‹

ALTITUD ≤ 1.000 m

‹

FRECUENCIA = 48 Hz a 62 Hz

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PARARRAYOS PARA CABLES

CARACTERÍSTICAS Dentro de las corrientes de descarga en el pararrayos tenemos la 8/20 y la 4/10, recordar que el pararrayos solo ve corrientes de tipo maniobra y de tipo rayo Regla nemo d de descarga

„

CORRIENTE NOMINAL DE DESCARGA Id CLASIFICA. PARARRAYOS (PROTECCIÓN) ‹ VALORES 1,5; 2,5; 5; 10 y 20 kA ‹

La corriente nominal de descarga sirve para clasificar a un pararrayos

100% 100%

kA kA 90% 90%

8/20 8/20 8/20 8/20

50% 50% TT1==1,25 1,25.T .TX

10% 10%

1

TTX X

X

TT2 2

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PARARRAYOS PARA CABLES

CARACTERÍSTICAS (CONT.) „

Tiempo que tarda en linealizarse

FUNCIONAMIENTO I GRAN AMPLITUD ‹

Id= 10 kA → 100 kA,, 4 / 10

100%

kA 90%

‹

Id= 5 kA →

4/10

65 kA,, 4 / 10

Tiempo en microsegundos que tarda en alcanzar la mitad de su valor

50% ‹

‹

Id= 2,5 kA → 25 kA,, 4 / 10 Id= 1,5 kA → 10 kA,, 4 / 10

10% T1

‹

T2

Pueden acordarse otros valores Página-13

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

SELECCIÓN (CONT.) Esto lo tengo que saber a la hora de saber qué clase elegir.

‹

CORRIENTE NOMINAL DE DESCARGA

Hasta 400 kV. Corriente de descarga

) GAMA

I: 5 kA o 10 kA ) Id = 5 kA PARA

Tensión más elevada de la red

• EN LÍNEAS AÉREAS CON PARARRAYOS A D< 5 km • Us ≤ 72,5 kV , SI BAJA DENSIDAD RAYOS • Us ≤ 72,5 kV, SI LÍNEA APANTALL y ↓ Z EN APOY

) Id Clase 1 Clase 2

Clase 3

• • • •

) Id Elección de Id en función de la tensión

= 10 kA PARA: 420 kV ≥ Us > 72,5 kV INSTALACIONES IMPORTANTES Us ≤ 72,5 kV ALTA DENSIDAD DE IMPACTOS Us ≤ 72,5 kV ALTA RESISTENCIA DE TERRENO Us ≤ 72,5 kV

= 20 kA PARA Us > 420 kV Página-14

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

SELECCIÓN (CONT.) ‹ DENSIDAD

IMPACTOS DE RAYO

) REGLAMENTO

CENTRALES ) D.G. INSTITUTO METEOROLOGÍA ) UNE 21186 ) (Impactos

/ año, km2)

Esto lo tengo que saber a la hora de elegir la clase,

• • • •

BAJA: MEDIA: ALTA: EXTREMA:

ENTRE 0,1 y 0,5 I / año km2 ENTRE 0,5 y 1,0 I / año km2 ENTRE 1,0 y 1,4 I / año km2 > 1,4 I / año km2 Página-15

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

SELECCIÓN (CONT.) Clasificación más completa que lo que dice la norma

Clasificación de la autoválvula (In) Tensión nominal del sistema Un

Un ≤ 66 kV

Tensión máxima del sistema Us

Us ≤ 72.5 kV

66 kV < Un ≤ 220 kV 72.5 kV < Us ≤ 245 kV 220 kV < Un ≤ 380 kV

245 kV < Us ≤ 420 kV

Un > 380 kV

Us > 420 kV

Esta tabla la tengo que saber a la hora de elegir la corriente nominal, conociendo la tensión nominal y la tensión más elevada de la red elijo una corriente nominal.

10 kA 5 kA

X

20 kA

La clase se obtiene como cociente de la energía entre la tensión nominal.

Clase 1

Clase 2

X

X X

Clase 3

Clase 4

Clase 5

X X

X

X

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X

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

CARACTERÍSTICAS „

Tensión de descarga que circula cuando aparece la corriente de descarga

NIVEL DE PROTECCIÓN ‹

N.P. FRENTE AL RAYO: )

‹

El nivel de protección significa la tensión de descarga que aparece cuando circula la corriente de descarga.

Ures ( Id , 8/20)

El nivel de protección frente al rayo se coge de la tabla para una corriente nominal del tipo 8/20

N.P. FRENTE A MANIOBRA (10 kA y 20 kA) )

Ures ( Id MANIOBRA T1= 30 -100μs T2= 2 x T1) p.e. 30/60 Se conoce como Ups

Estos dos valores se sacan en función de la tensión asignada según el lugar, la corriente asignada que se elige en función de la tensión nominal, y dentro de la corriente nominal se puede elegir una clase u otra.

El nivel de protección frente a maniobra se coge de la tabla para una corriente nominal del tipo 30/60

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES „

MARGEN PROTECCIÓN Upl

Nivel de prot

‹ RAYO: )

Es para asegurar que la tensión residual en bornes de pararrayos es mucho menor a la tensión soportada del pararrayos a impulsos tipo rayo o maniobra

Tensión soportada frente al rayo

MP = [ NA (1,2/50) / NPr*] ≥ 1,2 Nivel de protección frente a impulsos tipo rayo

‹ MANIOBRA: Estos dos tienen que ser datos

) MP

= [NA (250/2500) / NPm*]≥ 1,15 Tensión soportada en maniobra.

Upl

Nivel de protección frente a impulsos tipo maniobra

Estos los sacas de las tablas en función de la tensión nominal elegida, la clase y la corriente nominal

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PARARRAYOS PARA CABLES

CARACTERÍSTICAS (CONT.)

LCOE

W es energía

„

CLASE DE DESCARGA DE LARGA DURACIÓN ‹

CAPACIDAD ABS. W Id = 2,5 y 5 kA )

‹

En función de la Id del pararrayos aplico un tiempo u otro

I∼ 50 - 75 A con Tc = 0,5 a 1 ms

CAPACIDAD ABS W Id= 10 y 20 kA, Z, Tc y UL )

I∼ 100 A – 1 kA con Tc 2 - 3,2 ms ( LÍNEAS GRAN LONG.) 100% 90%

kA Tc

10% ≤ 150%Tc

≤ 10% Página-19

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

CARACTERÍSTICAS „

CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA UN PARARRAYOS DE 5 kA y 10 kA CLASE 1 ‹ ENSAYO FUNCIONAMIENTO GRAN AMPLITUD 4/10 ‹

)W

100%

= Ua . I . T 90%

) Ua

)I

= Ures (4/10) ≈ 1,5 Ures (Id 8/20)

= Î (4/10)

)T

= t EFECTIVO ∼ 6,5 μs

4/10 50% 10 %

T

T2

1 Página-20

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

SELECCIÓN (CONT.) „

CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA ‹IMPACTO

Energía que el pararrayos drena a tierra, si sale mayor que..la energía que soporta el pararrayos .. entonces hay que cambiar la clase.

DEL RAYO EN LINEA

Upl . T1 W = [ 2 Uf - N . Upl ( 1 +ln ( 2 Uf / Upl)) ] ---------Z • DONDE. Uf : Ucebado (LINEA POLARIDAD (-) Upl : NP (1,2/50) T1: T ARCO RAYO +ARCOS SUBSIGUIEN=(∼ 300 μs) – SI DISTANCIA CORTA ENTRE SUBEST. W DISTRIBUYE Página-21

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

SELECCIÓN (CONT.) „

CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA ) ENERGIZAC. Y REENGANCHES LÍNEAS GRAN LONG )

Tw W = 2 . Ups . (Ue - Ups) ----Z • DONDE: Ups: NP (MANIOBRA) Ue: SOBRETENSIÓN CALCULADA

IEC 60071-2

Tw: Long / v Página-22

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

SELECCIÓN (CONT.) „

CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA ) DESCONEX. C o CABLE CON RECEBAD. INTER. W = 1/ 2 . C [ ( 3Uo ) 2 - ( √2 Ur ) 2 ] ) DONDE:

Uo: Û SERVICIO (F-T) Ur : U ASIGNADA (eficaz) PARARRAYOS

– PUEDE DISIPARSE EN VARIOS PARARRA. / FASE Página-23

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

CARACTERÍSTICAS „

EJEMPLO CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE W Marca / Modelo

Tensión nominal Ur

Tensión residual para 250 A Ures

Marca A / Modelo 1

108 kV

204 kV

Marca B / Modelo 1

108 kV

210 kV

Marca A / Modelo 2

81 kV

153 kV

Marca B / Modelo 2

81 kV

157 kV

Marca / Modelo

Energía W (kJ)

Energía kJ/kV (Ur)

Marca A / Modelo 1

343

3,2

Marca B / Modelo 1

332

3,1

Marca A / Modelo 2

257

3,2

Marca B / Modelo 2

249

3,1 Página-24

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

CARACTERÍSTICAS „

CLASE DE LIMITADOR DE PRESIÓN ‹

„

CAPACIDAD PARA SOPORTAR Icc INTERNO

RESISTENCIA A LA CONTAMINACIÓN NIVELES III y IV → ENSAYO IEC 60099-3 ‹ CONTAMINA ENVOLVENTE → ENSAYO IEC 60507 ‹

„

APTITUD PARA EL LAVADO EN TENSIÓN ‹

„

DISEÑO ESPECIAL PARARRAYOS

DISPOSITIVO DE DESCONEXIÓN (Us≤36 kV) Tensión más elevada de la red

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

CARACTERÍSTICAS Tensión más elevada de la red.

„

NIVEL CONTAMINACIÓN : línea fuga / Us La línea de fuga va en función del nivel de contaminación. Alto a nivel del mar, fábricas

‹I ‹ II ‹ III ‹ IV

16 mm/kV 20 mm/kV 25 mm/kV 31 mm/kV

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

CARACTERÍSTICAS „

EJEMPLO Tensión nominal (Ur)

120 kV

Tensión de funcionamiento continuo (Uc)

92 kV TOVc (1s) = 138 kV TOVc (10s) = 132 kV

Capacidad para soportar sobretensiones temporales (TOVc) Corriente nominal de descarga Tensión residual (Ures) Clase de limitador de presión Línea de fuga Dispositivo de desconexión Frecuencia asignada Impulso de corriente de larga duración (2400 μs)

10 kA Clase 3 (7.4 kJ/kVr, impulso maniobra) 3

Maniobra: Ures (1kA, 30/60μs) = 238 kV Rayo: Ures (10 kA, 8/20 μs) = 282 kV 50 kA 4540 mm (no) 15 a 62 Hz 700 A Página-27

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

PROTECCIÓN CONTRA RAYO „

Umax = Ures + 1/3 (Ures+4 s τ)

PROTECCIÓN CABLES CORTOS

θ ≥ 2τ

A (extremo impactado)

B

U

Umax

Umax ≤ 2. Ures 4st

- 2st

4U0

st

τ ρAB=1

3U0

st

2·τ

θ -3·s

2st

-3·s t

ρAB=-1

3·τ τ+θ

-st 3·st

1st

U0

st t -3·s

3st

2U0

st

t

Ures

B A

2st

4·τ θ+τ

θ τ

2τ

4τ

3τ

t

-3st

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

PROTECCIÓN CONTRA RAYO „

PROTECCIÓN CABLES LARGOS

θ < 2τ

A (extremo impactado)

B

U

4U0

st

ρAB=1

Umax ≤ 2. Ures

τ θ

st

-s t

-st

ρAB=-1

-s t -st

st st

2st

3U0

-2st

2·τ

τ+θ 3·τ

-st

2U0

Ures 1st U0

B A

2st

4·τ θ+τ

θ τ

2τ

3τ

4τ

t

- 1st

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

PROTECCIÓN CONTRA RAYO „

ANÁLISIS MEDIANTE ATP: Ured=15 kV

Ures=65 kV

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PARARRAYOS PARA CABLES

LCOE

PROTECCIÓN CONTRA RAYO ANÁLISIS MEDIANTE ATP Rayo 10 kA. Tiempos de frente del rayo: 4/ 10 μs, 8/ 20 μs, 130 Extremo Extremo Extremo Extremo

120

lejano 4/ 10 impactado 4/ 10 lejano 8/ 20 impactado 8/ 20

110

Tensión alma-pantalla (kV)

„

100

90

80

70

60

0

500

1000

1500 Longitud cable (m)

2000

2500

Página-31

3000

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

PROTECCIÓN CONTRA RAYO „

PROTECCIÓN DE LOS CABLES ‹

CABL. ENTRE 2 LÍNE AÉRE. → PROTEC. CON PARAR: Si tenemos un cable entre dos líneas aéreas debemos proteger con pararrayos

‹

ADEMÁS SI Us ≥ 72,5 kV CONDUCTOR PROTEC. EN 3 ÚLTIMOS VANOS ) y Z TIERRA BAJA EN APOYOS )

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

PROTECCIÓN CONTRA RAYO „

SUBESTACIONES CONECTADAS POR CABLE ‹

MEJOR PROTEGIDAS QUE LAS DE AIRE

‹

PARARRAYOS EN EL ENTRONQUE CABLE-LÍNEA AÉREA

‹

PROTEGIDA SI AL MENOS 1 CABLE QUEDA CONECTADO

‹

PARARRAYOS ADICIONAL EN EXTREMO SI EXTREMO PUEDE QUEDAR ABIERTO Y ) NO SOBRETENSIÓN < N.A. )

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LCOE

PARARRAYOS PARA CABLES

Gracias por su atención

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