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CAPÍTULO XI

PARARRAYOS

CAPÍTULO XI PARARRAYOS 11.1.

INTRODUCCIÓN Los pararrayos son dispositivos eléctricos destinados a la protección de equipos de patio de una subestación, limitan la amplitud de las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas, por maniobras de interruptores o desbalance de sistemas. En un principio, la única misión de los pararrayos era limitar las sobretensiones de origen atmosférico, luego se ampliaron utilizándose frente a otros tipos de sobretensiones, por lo que es más adecuada la denominación de descargadores de sobretensión, aunque por costumbre y convención se mantienen como pararrayos. Los pararrayos como elementos descargador de sobretensión, debe cumplir las siguientes características importantes:  Comportarse como un aislador mientras la tensión aplicada no exceda la tensión nominal del descargador.  Convertirse en conductor al alcanzar cierta sobretensión mayor a la tensión nominal del descargador, y drenar a tierra la onda de corriente producida por la onda de sobretensión.  Una vez desaparecida la sobretensión y restablecida la tensión normal, el descargador debe ser capaz de interrumpir la corriente subsiguiente. En caso de no cumplir con estas características, las sobretensiones se descargarían sobre el aislamiento de los equipos provocando su perforación, ocasionando interrupciones en el sistema eléctrico y en muchos casos desperfectos en los transformadores, generadores, etc. U1 Línea

U2

Equipo

Id

Pararrayos

Ures

Puesta a tierra

Figura 11.1. Funcionamiento del pararrayos.

El pararrayos está permanentemente conectado entre la línea y tierra, en paralelo con el equipo que se desea proteger, opera en presencia de una sobretensión (U1) descargando la corriente Id a tierra, con esta acción limita su amplitud a valores permisibles para el equipo (U2), tal como se ve en la figura 11.1.

Además, los descargadores de sobretensión no deben operar por sobretensiones temporales a frecuencia industrial y su tensión de descarga o tensión residual (Ures) debe ser menor que la tensión de soportabilidad de los equipos a los que protege. Existen dos tipos de elementos de protección estandarizados de acuerdo con la norma IEC 60071-2 y estos son: los pararrayos convencionales con explosores en serie y los pararrayos de oxido de zinc sin explosores.

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PARARRAYOS

11.2.

PARARRAYOS CONVENCIONALES Llamado también pararrayos autovalvular, constituido por una serie de resistencias no lineales de carburo de silicio (Si C), dispuestas como cilindros de material prensado conectados en serie con un conjunto de explosores o gaps, ver figura 11.2.

Explosor

Elementos valvulares de Si C

Figura 11.2. Esquema del pararrayos autovalvular.

El resistor (válvula) se comporta con una baja resistencia al flujo de las altas corrientes, limitando de esa manera la tensión a través del pararrayos; y con una alta resistencia a las corrientes normales que corresponden a la tensión nominal, limitando de esa manera las corrientes residuales. Los explosores operan cuando sobrepasan un cierto nivel de tensión, denominada tensión de encebamiento, que ionizan el espacio de aire existente entre los electrodos, permitiendo así la descarga de corrientes a tierra a través de resistencias Si C.

Todos sus elementos se encuentran encerrados en el interior de un envolvente cerámico, que los protege del medio ambiente y se encuentra lleno de gas nitrógeno seco y sellado en ambos extremos con sellos elásticos, ver figura 11.3. Pieza de conexión Conexión de tension Aislador de porcelana Explosor de extinsión

Elementos válvulares

Conexión a tierra

Casquete protector

Figura 11.3. Sección longitudinal de un pararrayos autovalvular (AEG). Cuando se produce una avería en el pararrayos por una sobrecarga térmica, mediante un dispositivo se desconecta el cable de conexión a tierra, sacándole de servicio. Si no ocurriese esto, explotaría por los gases ionizados en su interior, ocasionando daños a equipos o daños personales.

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PARARRAYOS

En la figura 11.4 se observa el comportamiento de un pararrayos del tipo valvular, cuando se presenta una onda de sobretensión. U [%] Punto inicial de la descarga

Uc

Impulso de sobretensión

Tensión de cebado

Uc / 2 Tensión residual

Encebamiento del explosor

t0

t1 t2 t3

UC: Valor de sobretensión máxima

t [μs]

Figura 11.4. Comportamiento del pararrayos tipo valvular. 11.3.

PARARRAYOS DE OXIDO DE ZINC Estos pararrayos están compuestos por varistores de óxido metálico, en su gran mayoría de óxido de zinc (Zn O). Su principal característica es la extrema no linealidad de su curva tensión vs corriente que es muy superior al de carburo de silicio, lo que permite prescindir de los explosores. Pieza de conexión

Aislador de porcelana

Varistores de Zn O

Orificio para alivio de presión

Figura 11.5. Pararrayos de oxido de zinc tipo EXLIM (ABB). Los varistores de oxido de zinc, se disponen en serie en una o más columnas dentro de bujes de porcelana. En la parte superior de los bujes se encuentra una placa relevadora de presión, que se rompe en caso de una sobrepresión interna, descargando gases sin daños laterales, ver figura 11.5. La extrema no linealidad de los varistores de Zn O permite conducir a tierra, corrientes de fuga despreciable en presencia de tensiones nominales, y en sobretensiones absorbe perfectamente las corrientes de descarga, en relación a los pararrayo de Si C, ver figura 11.6.

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PARARRAYOS Tensión Tensión de descarga

Zn O Si C

UF-T

Corriente de fuga

< 0,1A

Corriente consecuente

100A – 500A

Corriente de descarga

1 kA – 10kA

Corriente

Figura 11.6. Comparación de las características tensión-corriente para los dos tipos de pararrayos con nivel de protección a impulsos atmosféricos. En la figura 11.7 se observa el comportamiento de un pararrayos del tipo oxido metálico, en presencia de un impulso de sobretensión. U [%]

Uc Impulso de sobretensión

Uc / 2 Ures

t0

t1

UC: Valor de sobretensión máxima

t [μs]

Figura 11.7. Comportamiento del pararrayos de oxido de zinc. Los pararrayos de oxido de zinc, son los más utilizados actualmente, debido a sus mejores características que le permiten una mayor vida útil (sin explosores), funcionamiento más viable y brinda mayor seguridad. 11.4.

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL PARARRAYOS Las características eléctricas que se definen según la IEC 60099 y criterios prácticos, para la especificación del pararrayos del tipo de oxido de zinc, son las siguientes: 11.4.1. TENSIÓN DE OPERACIÓN CONTINUA (Uc) Es la tensión eficaz de valor máximo a frecuencia industrial que soporta el pararrayos de manera continua en sus terminales, sin dañar al pararrayos o acelerar su envejecimiento por calentamiento. Según la norma IEC se denota con Uc para identificar la tensión de operación continua, también es usual el término MCOV (Maximum Continuos Operating Voltaje) en la norma ANSI. SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

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PARARRAYOS

La tensión de operación continua de un pararrayos debe ser mayor o igual a la tensión permanente más elevada de operación en el sitio de la subestación, con el objeto de evitar la inestabilidad del pararrayos en el proceso de descarga, es decir:

Donde: Uc: Tensión máxima de operación continua del pararrayos, [kV]. Um: Tensión máxima del sistema, [kV]. El factor de seguridad de 1,05 que considera los posibles efectos de los picos de armónicos de tensión del sistema. El resultado de la tensión de operación continua, podrá ser reajustado según los resultados del cálculo de la tensión nominal (Ur) del pararrayos. 11.4.2. TENSIÓN NOMINAL (Ur) Es el valor eficaz máximo admisible de la tensión a frecuencia industrial, aplicado entre los terminales del pararrayos para el cual está previsto su correcto funcionamiento en condiciones de sobretensiones temporales, durante un periodo de tiempo definido. Las sobretensiones temporales (TOV, Temporary Over Voltage) se presentan generalmente durante fallas a tierra, también se generan por el rechazo de carga. Por tanto, estas dependen en gran parte de su factor de falla a tierra en el sitio de la subestación, se determina mediante la expresión: Donde: Uc: Tensión máxima de de operación continua, [kV]. ke: Factor de falla a tierra, los valores recomendados por la norma IEC y catálogos ABB son los siguientes:  1,4 para sistemas efectivamente aterrados  para sistemas con neutro aislado o neutro resonante. La tensión nominal del pararrayos, se determina a partir de criterios que se mencionan a continuación, de ellos se elige el mayor valor obtenido: 

Tensión nominal, en base a la tensión de operación continua



Tensión nominal, en base a la sobretensión temporal

Donde: kd: Factor de diseño, valor encontrado en catálogos (valor típico de 0,8). kTOV: Capacidad del pararrayos contra sobretensiones temporales, depende del tiempo de duración de la sobretensión, los valores recomendados por la IEC son los siguientes: SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

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PARARRAYOS

 kTOV = 1,15 para 1 [s]  kTOV = 1,07 para 10 [s]  kTOV = 0,97 para 2 [h]. Los valores normalizados de las tensiones nominales según normas IEC se establecen en la tabla 11.1 en donde los valores normalizados se definen a través de un número de pasos iguales dentro de rangos especificados de tensión. Tabla 11.1. Valores de tensiones nominales normalizados del pararrayos (IEC 60099–4). RANGO DE TENSIÓN NOMINAL [kV]