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• MICHELLE LOZANO JIMÉNEZ

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INTRODUCCION A LAS SUBESTACIONES ELECTRICAS

CAPITULO VIII ELEMENTOS DE PROTECCION CONTRA SOBREVOLTAJES

El elemento mas sencillo contra sobretensiones es el cuerno de arqueo, el cual se emplea como respaldo del pararrayos y a veces en lugar de este, consiste en un par de electrodos punta-punta, separados en el aire, figura 8.1.

a) En un pasatapas

c)

En una aislador tipo post

c) En una cadena de aisladores

Fig. 8.1 Cuerno de arqueo

En voltajes de 34.5 kV o menores, los cuernos pueden ser fácilmente puenteados por pájaros u otros animales, lo cual se evita empleando un espaciamiento dividido en dos secciones colocadas a lados opuestos del aislador.

Fig. 8.2 Cuerno de arqueo dividido

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La característica de operación del cuerno depende de la distancia de separación, como se muestra en la figura 8.3. Hay una gran dispersión de valores de arco para tiempos muy cortos, lo cual hace que impulsos con ondas de frentes muy empinados puedan ocasionar daños en el aislamiento.

Figura 8.3 Característica V-T del cuerno de arqueo

Un dispositivo un poco más desarrollado es el denominado Tubo de expulsión, el cual limita las sobretensiones en forma similar a la de un cuerno de arqueo, pero a diferencia de éste su operación no causa necesariamente una desconexión del sistema. Es básicamente un espaciamiento entre dos electrodos dentro de un tubo de fibra, la cual conforma la cámara de arco (Figura 8.4).

Figura 8.4 Constitución d el tubo de expulsión

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Las ventajas de los cuernos de arqueo son su simplicidad y economía, su principal desventaja es que la operación produce una falla a tierra en el sistema ocasionando una desconexión del circuito.

Figura 8.4 Operación del cuerno de arqueo

Esta condición se pensó en mejorarla conectando en serie con el cuerno, una resistencia, Fif 8.5. Pero la operación de este elemento no será confiable ya que el voltaje en la resistencia, cuando opera, es función de la magnitud de la corriente.

Figura 8.5 Operación del cuerno con resistencia en serie

La solución se dio con el empleo de resistencias no lineales, dándose lugar a la creación del pararrayos.

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Figura 8.6 Cuerno con resistencia no lineal

8.1 PARARRAYOS DE Si C El pararrayo proporciona el grado de confiabiIidad más alto de todos los dispositivos protectores contra sobretensiones. Consta fundamentalmente de resistencias no lineales, conectadas en serie con espaciamientos internos.

Figura 8.7 Elementos de un pararrayos de SiC

Los pararrayos comunes emplean resistencias no lineales elaboradas de pasta de silicio-carbono. Su relación corriente-voltaje está dada por: V = K × Id

(8.1)

K = 1300

(8.2)

d = 0.2

(8.3)

Donde:

La figura 88 muestra la característica voltaje-corriente para una resistencia no lineal de un pararrayos típico de 3 kV, 5 kA. A voltaje nominal la corriente es de 5 amperios y con tres veces el voltaje nominal la corriente sube a 5 kiloamperios.

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Figura 8.8 Resistencia no lineal

Cuando un impulso de voltaje de magnitud excesiva es superpuesto al voltaje de 60 ciclos, el espaciamiento interno actúa y el voltaje a través del pararrayos se reduce a un valor igual al producto de la corriente de impulso a través del mismo por su resistencia interna. La característica no lineal de las resistencias serie presenta valores resistivos muy altos en condiciones nominales de voltaje y frecuencia. De esta forma al desaparecer el voltaje transitorio la corriente que sigue fluyendo por el pararrayo es limitada por su resistencia a un valor muy bajo, esta corriente, llamada residual, desaparece por lo regular antes de que el voltaje cruce la primera vez por cero, después de la descarga. figura 8.9 Los espaciamientos internos en un pararrayos evitan la circulación de corrientes a tensión nominal para tener una distribución uniforme de tensión a través de ellos, se emplean resistencias y capacitancias en paralelo. El voltaje nominal de un pararrayos no debe ser menor que el máximo voltaje posible de potencia-frecuencia a través del mismo, de otro modo la corriente no será interrumpida en el primer paso por cero y el pararrayos será destruido.

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figura 8.9 Operación de pararrayos

La magnitud de la corriente siguiente está determinada por las resistencias serie no lineales. La extinción de la corriente requiere un gran número de resistencias serie no lineales para limitar su valor, de forma tal que pueda ser extinguida al pasar por cero. La eficiencia de la limitación de sobrevoltaje durante fuertes impulsos de corriente requiere sin embargo, una baja caída de voltaje a través del pararrayos, es decir, el mínimo de resistencias en serie cumpliendo con los requerimientos de limitar la corriente siguiente. Una solución para esta contradicción se obtuvo utilizando el llamado espaciamiento interno activo, también denominado como espaciamiento limitador de corriente. Estos se basan en el principio de soplado magnético, después del paso del impulso de corriente alto la longitud del arco es extendida, produciendo así una extinción más fácil de la descarga y evitando el deterioro del gap. El uso de los espaciamientos activos permite una baja relación entre el nivel de protección y el voltaje de 60 ciclos al cual el pararrayos debe ser capaz de reponerse. Esto es un requerimiento importante en voltajes de transmisión, donde la relación del nivel de aislamiento al voltaje del sistema es considerablemente más baja que en los voltajes de distribución. Por esta razón, la mayoría de los pararrayos usados en sistemas de transmisión tienen espaciamientos internos activos incorporados. UNIVALLE

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8.1.1 Valores nominales del pararrayos de Si C • • • • •

•

Voltaje nominal: Máximo voltaje RMS permitido a la frecuencia de 60 Hz. Voltaje de operación a frecuencia nominal: Valor de voltaje (RMS) que ocasiona la operación del pararrayos a frecuencia de 60 ciclos. Voltaje de operación al impulso: Valor de voltaje de una onda de impulso básico que hace operar el pararrayos. Corriente de descarga: Corriente que circula por el pararrayos después de su operación. Voltaje residual: Voltaje que aparece entre terminales del pararrayos durante la circulación de la corriente de descarga. Voltaje de operación al frente de onda: Voltaje de operación ante ondas con frente más corto que el impulso básico.

Figura 8.10 Protección del pararrayos de Si C

8.2 PARARRAYOS DE ZN O En los últimos años se ha dado un paso importante en el mejoramiento de la característica no lineal de las resistencias internas del pararrayos, usando como base Oxido de Zinc. Figura 8.11.

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1. 2. 3. 4.

Aislador Desfogue Sello Resorte de compresión 5. Resistores de ZnO. 6. Placa del fabricante

Figura 8.11 Elementos de un pararrayos de Zn O

De esta manera se logró suprimir totalmente los espaciamientos activos y se mejoraron ostensiblemente las características de funcionamiento, tanto en condiciones nominales como bajo descarga; la corriente de fuga al voltaje de 60 ciclos es del orden de microamperios, Figura 8.12.

Figura 8.12 Características de diferentes tipos de resistencias

La relación corriente-voltaje para el Oxido de Zinc está dada por :

V = K × Id

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Donde d es del orden de 0.03.

(8.4)

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Las principales ventajas de los pararrayos de Oxido de Zinc, comparados con los tradicionales son: Construcción más simple, son mas pequeños y livianos. Su comportamiento como elemento de protección es mejor. No fluye corriente siguiente. No absorben energía a niveles nominales de voltaje

8.2.1 Valores nominales del pararrayos de Zn O

Para los de óxido de zinc se especifican los siguientes valores: •

Máximo sobrevoltaje continuo (MCOV)

Es el mismo voltaje de operación, normalmente igual o un poco mayor que el voltaje del sistema línea-tierra, que asegura que el pararrayo en condiciones normales de potencia-frecuencia no descarga corrientes de fuga de más de 20 mA. •

Capacidad de sobrevoltaje temporal (TOV)

Esta característica específica la duración de un sobrevoltaje que es capaz de soportar un pararrayo de óxido de Zinc. Esta característica está directamente asociada a la capacidad de absorción de energía de los bloques que conforman el pararrayo •

Corriente nominal: Corriente que circula por el pararrayos después de su operación. • Nivel de protección: Voltaje que aparece entre terminales del pararrayos durante la circulación de la corriente de descarga.

8.3 CONEXIÓN E INSTALACION DEL PARARRAYOS El pararrayos debe instalarse lo más cerca posible al equipo que protege, ya que con impulsos de voltaje las tensiones no son las mismas en todos los puntos en un mismo tiempo. La figura 8.13 nuestra los voltajes en un pararrayos y en el transformador que ésta protegiendo.

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Figura 8.13 Ubicación del pararrayos

En ciertas circunstancias varios equipos deben ser protegidos por un mismo pararrayos, por lo cual es conveniente determinar el área de protección del mismo. La distancia máxima se determina considerando el caso en que la operación del pararrayos coincida con la llegada de la onda reflejada desde el transformador. La distancia máxima para colocar el pararrayos será:

Np = 2S

L máx =

L > Na v

N a − Np 2S

×v

(8. 5)

(8. 6)

Para efectuar el cálculo de Lmáx se toma una rata de crecimiento de voltaje de 1000 kV/microsegundos de acuerdo a la recomendación de IEC. Debe tratarse de reducir la longitud de los bajantes que conectan el pararrayos a la línea y a tierra, por las caídas de tensión que allí se presentan durante su operación, figura 8.14.

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Figura 8.14 Longitud de los bajantes

En pararrayos conectados un extremo de cable aislado, se debe evitar la generación de buclas al conectarlos a la pantalla del cable, figura 8.15.

Figura 8.15 Pararrayos en cables

En Pararrayos utilizados en alta tensión se suele emplear varios cuerpos conectados en serie y colocarles aros para compensar la distribución de capacitancias, figura 8.16.

Figura 8.16 Pararrayos para alta tensión

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8.4

APANTALLAMIENTO

8.4.1

Introducción

El efecto de las descargas atmosférica sobre los sistema de potencia puede ser la salida o desconexión de una línea o la destrucción de algún aislamiento, en equipos conectados sobre la misma línea o en aquellos que se encuentran en las subestaciones. La cantidad de descargas sobre líneas debe reducirse puesto que constituye la principal causa de falla de las mismas; no puede permitirse que se presenten descargas sobre la subestación ya que producirá graves daños sobre costosos equipos. La labor fundamental al diseñar el apantallamiento es definir su ubicación para evitar que una descarga atmosférica caiga sobre algún conductor de fase y origine un flameo del aislamiento de la línea, o que puede alcanzar algún elemento de las subestaciones, causando quizá su destrucción. La ubicación del hilo guarda en las líneas se basa en el concepto de "Apantallamiento efectivo", con el cual se pretende que la línea este protegido contra descargas que tengan corrientes iguales o superiores a la crítica.

8.4.2

Corriente Crítica

Al caer una descarga sobre la línea, el voltaje se incrementa hasta un valor igual al producto de la corriente por la impedancia característica, cuando este valor sea superior al BIL de los aisladores ocurrirá un flameo. Al menor valor de corriente que causa flameo se le denomina corriente crítica (Ic). La corriente crítica Ic es aquella que ocasiona un voltaje superior al BIL. I ZO 2 BIL • 2 = ZO

V = IC

8.4.3

(8.7) (8.8)

Distancia de rompimiento

Al acercarse un rayo a tierra hay un momento en que se supera la rigidez dieléctrica del aire y se produce el salto hacia el sitio más cercano, puede ser éste un árbol, una línea o la misma tierra, la distancia de rompimiento, o distancia a la que salta el arco, depende de la magnitud de la corriente de la descarga. Rayos con mayor

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concentración de carga, ocasionan según se ha podido experimentar, rompimiento desde mayores distancias. La distancia de rompimiento está dada por la ecuación: 0.65 r s = 7.2 ( 1.1 • I )

(8.9)

La distancia de rompimiento crítica es la correspondiente al valor de corriente crítica: 0.65 r c = 7.2 ( 1.1 • I )

8.4.4

(8.10)

Modelo Geométrico

La Figura 8.17 muestra el modelo geométrico usado para cálculos de apantallamiento. Los arcos del círculo con radio rs, son dibujados tomando como centro los hilos de guarda y los conductores de fase. Además, se construye una línea horizontal paralela a la tierra a una altura rs, la cual está definida para una corriente de impacto particular.

Figura 8.17. Modelo geométrico del Apantallamiento

Según el modelo, un rayo que se aproxima a la línea, con una corriente igual a la que se empleó para calcular rs, produciendo la ruptura sobre el arco entre A y B, debe terminar en el conductor de fase. Más allá del punto A la descarga terminará en la UNIVALLE

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tierra. Sobre el arco BO la descarga irá al hilo guarda. Para cada valor de corriente se presenta una zona desprotegida, que corresponde al arco AB o a la distancia horizontal Dc de la Figura 8.17. Si se aumenta la corriente de la descarga, su distancia de rompimiento será mayor, disminuyéndose el área desprotegida por el apantallamiento. Figura 8.18. La efectividad completa se obtiene cuando el punto de corte entre la recta y la parábola (B) corresponde con el valor de la distancia de rompimiento crítica a tierra o a la línea. Cuando esto ocurre, el arco AB y la zona Dc, desaparecen, eliminándose la zona desprotegida. Descargas con corriente superior a la crítica caerán sobre el apantallamiento o irán a tierra. Si la corriente es menor a la crítica, la ruptura podrá producirse en la zona comprendida entre la recta y la parábola, pudiendo así alcanzar una fase. Esto último, sin embargo, no ocasionará el disparo de la línea.

Figura 8.18. Distancia de ruptura para diferentes valores de corriente

8.4.5

Apantallamiento Efectivo

El apantallamiento puede ubicarse mediante un procedimiento geométrico de manera que se obtenga total protección, rs = rc. Teniendo fijas las alturas de fase (h) y de hilo de guarda (H), se determina la separación (L) para obtener la protección deseada, o, fijada una de las alturas, se calcula la otra, para una L determinada, como se muestra en la Figura 8..20, pueden presentarse situaciones donde se requiere una L negativa, este es el caso cuando la distancia media entre la fase y el hilo de guarda supera el valor de la distancia de rompimiento crítico.

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Figura 8.19. Determinación de L y a para apantallamiento efectivo

A partir de la Figura 8.19: L = m-n. Por Pitágoras :

L =

2 r 2c - ( r c - H ) -

2

r 2c - ( r c - h )

(8.11)

El apantallamiento perfecto se puede obtener variando a, aumentando H o disminuyendo h, todo lo cual es equivalente. Cuando la disposición es horizontal, el apantallamiento debe también ser efectivo para la fase central.Con respecto a la Figura 8.20., el apantallamiento es efectivo cuando Dc = 0.

Figura 8.20. Apantallamiento Fase Central

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r = d 2 + (r − (H - h ) )2

(8.12)

Llamando b = H - h

b = r -

(8.13)

r2 - d 2

En el cálculo del ángulo de apantallamiento perfecto se toman las magnitudes "H" y "Y" en la torre, normalmente este será un estimativo conservador, porque el hilo guarda y el conductor de fase tienen menor altura a lo largo del vano, y el ángulo a lo largo del tramo se reduce debido a que la flecha del conductor de fase es mayor que la del hilo guarda. El ángulo de apantallamiento perfecto puede resultar negativo. Esta particularidad ocurre para corrientes críticas bajas y cuando H se incrementa. En zona montañosa debe tenerse en cuenta que la altura real de la línea puede ser muy grande (hondonadas), haciendo muy difícil que el apantallamiento sea efectivo a lo largo de toda la línea. Si la efectividad del apantallamiento no es total, con la utilización del hilo guarda se reduce enormemente el número de descargas que puedan alcanzar directamente los conductores de fase, pero se tiene una probabilidad de falla, la cual está dada por la ecuación de Burgsdorf - Kostenko. Log Pα =

α (H )0.5 90

(8.14) - 2

Donde: a =

Angulo de apantallamiento en grados.

H =

Altura del cable en metros.

Pa = Probabilidad de falla en porcentaje, de un apantallamiento con ángulo a. Empleando el concepto de la "sombra eléctrica" o área de influencia de la línea, se supone entonces que las descargas dentro de esta zona serán atraídas hacia la línea y que debido a la probabilidad de falla del aislamiento, algunas de ellas caerán sobre los conductores de fase ocasionando un disparo.

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