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• Sergio Buenaventura Baez

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LÁZARO CÁRDENAS INGENIERIA ELECTROMECANICA MATERIA: “SUBESTACIONES

ELÉCTRICAS”

INVESTIGACIÓN: UNIDAD I EQUIPOS PRIMARIOS DE UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DOCENTE: ING. MUNGUÍA TAPIA JOSÉ ENRIQUE ALUMNO: BUENAVENTURA BÁEZ SERGIO NO DE CONTROL: 12560488

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CIUDAD Y PUERTO DE LÁZARO CÁRDENAS, MICHOACÁN, 26/FEBRERO/2016 INDICE 1.1 DEFINICION, CLASIFICACION Y ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACION________________________________________________4 1.1.1 CLASIFICACIÓN POR SU FUNCIÓN_________________________________4 1.1.1.1 ELEVADORAS______________________________________________________4 1.1.1.2 REDUCTORAS_____________________________________________________4 1.1.1.3 DE MANIOBRA_____________________________________________________5 1.1.2 CLASIFICACIÓN POR SU CONSTRUCCIÓN__________________________5 1.1.2.1 TIPO INTEMPERIE_________________________________________________5 1.1.2.2 TIPO INTERIOR____________________________________________________5 1.1.3 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN_____________6 1.1.3.1 ELEMENTOS PRINCIPALES (PRIMARIOS):________________________6 1.1.3.2 ELEMENTOS SECUNDARIOS______________________________________6

1.2 TRANSFORMDORES DE POTENCIA_______________________________7 1.2.1 CLASIFICACION DE LOS TRANSFORMADORES_____________________8 1.2.2 TIPOS DE ENFRIAMIENTO EN TRANSFORMADORES_______________8

1.3 INTERRUPTORES DE POTENCIA________________________________10 1.3.1 DEFINICION Y TIPOS DE INTERRUPTORES________________________10 1.3.2 INTERRUPTORES DE GRAN VOLUMEN DE ACEITE________________11 1.3.3 INTERRUPTORES EN AIRE_________________________________________11 1.3.4 INTERRUPTORES DE VACIO_______________________________________11 1.3.5 INTERRUPTORES DE HEXAFLORURO DE AZUFRE________________11 1.3.6 ESPECIFICACION DE INTERRUPTORES DE POTENCIA____________12 1.3.7 SELECCIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA_________________12

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1.4 CUCHILLAS Y FUSIBLES_________________________________________13 1.4.1 DEFINICION DE CUCHILLAS CONECTORAS_______________________13 1.4.2

FUSIBLES DE POTENCIA Y SUS CURVAS DE OPERACIÓN_______15

1.4.3 ESPECIFICACIONES DE CUCHILLAS Y FUSIBLES_________________16

1.5

APARTARRAYOS________________________________________________16

1.5.1 NATURALEZA DE LAS SOBRETENSIONES Y SUS EFECTOS EN LOS SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA_____________________________16 1.5.2 DEFINICION Y OPERACIÓN DE APARTARRAYOS__________________18 1.5.2.1 NIVEL BASICO AL IMPULSO MANIOBRA________________________21 1.5.2.2 NIVEL BASICO AL IMPULSO DE DESCARGAS__________________21 1.5.2.4 COORDINACION DE AISLAMIENTO______________________________22

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1.1 DEFINICION, CLASIFICACION CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACION

Y

ELEMENTOS

Las subestaciones son las componentes de los sistemas de potencia en donde se modifican los parámetros de tensión y corriente, sirven además de punto de interconexión para facilitar la transmisión y distribución de la energía eléctrica y pueden clasificarse de acuerdo a su función y construcción.

Figura 1. Subestación eléctrica. 1.1.1 CLASIFICACIÓN POR SU FUNCIÓN 1.1.1.1 ELEVADORAS En este tipo de Subestaciones se modifican los parámetros principales en la generación de la energía eléctrica por medio de los transformadores de potencia, elevando el voltaje y reduciendo la corriente para que la potencia pueda ser transportada a grandes distancias con el mínimo de pérdidas. Son las subestaciones que generalmente se encuentran en las Centrales Eléctricas. Algunos niveles típicos de voltaje usados en los sistemas eléctricos de potencia, se dan en la tabla siguiente, agrupándolos en transmisión, subtransmision, distribución y utilización.

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1.1.1.2 REDUCTORAS En este tipo de Subestaciones se modifican los parámetros de la transmisión de la energía eléctrica por medio de transformadores de potencia, reduciendo el voltaje y aumentando la corriente para que la potencia pueda ser distribuida a distancias medias a través de líneas de transmisión, subtransmisión y circuitos de distribución, los cuales operan a bajos voltajes para su comercialización. 1.1.1.3 DE MANIOBRA En este tipo de Subestaciones no se modifican los parámetros en la transmisión de la energía eléctrica, únicamente son nodos de entrada y salida sin elementos de transformación y son utilizadas como interconexión de líneas, derivaciones, conexión y desconexión de compensación reactiva y capacitiva, entre otras. 1.1.2 CLASIFICACIÓN POR SU CONSTRUCCIÓN 1.1.2.1 TIPO INTEMPERIE Son las construidas para operar expuestas a las condiciones atmosféricas (lluvia, nieve, viento y contaminación ambiental) y ocupan grandes extensiones de

terreno. Figura 2. Subestacion tipo intemperie.

1.1.2.2 TIPO INTERIOR Son Subestaciones que se encuentran con protección de obra civil, similares en su forma a las de tipo intemperie, con el fin de protegerlas de los fenómenos ambientales como son: la contaminación salina, industrial y agrícola, así como de los vientos fuertes y descargas atmosféricas. También existen, las Subestaciones compactas blindadas aisladas con gas Hexafloruro de Azufre (SF6), las cuales proporcionan grandes ventajas, ya que además de poder ser diseñadas para Av. Melchor Ocampo # 2555, Col. Cuarto Sector, C.P. 60950, Cd. Lázaro Cárdenas, Michoacán,

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operar a la intemperie, estas pueden estar protegidas del medio ambiente con cierta infraestructura civil, reduciendo los costos de mantenimiento; y se aplican generalmente en:     

Zonas urbanas y con poca disponibilidad de espacio. Zonas con alto costo de terreno. Zonas de alta contaminación y ambiente corrosivo. Zonas con restricciones ecológicas. Instalaciones subterráneas. Figura 3. Subestación tipo interior.

1.1.3 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN Los elementos que constituyen una subestación se pueden clasificar en elementos principales y elementos secundarios. 1.1.3.1 ELEMENTOS PRINCIPALES (PRIMARIOS): 1. Transformador. 2. Interruptor de potencia. 3. Restaurador. 4. Cuchillas fusibles. 5. Cuchillas desconectadoras y cuchillas de prueba. 6. Apartarrayos. 7. Tableros dúplex de control. 8. Condensadores. 9. Transformadores de instrumento. 1.1.3.2 ELEMENTOS SECUNDARIOS 1. Cables de potencia. 2. Cables de control. Av. Melchor Ocampo # 2555, Col. Cuarto Sector, C.P. 60950, Cd. Lázaro Cárdenas, Michoacán,

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3. Alumbrado. 4. Estructura. 5. Herrajes . 6. Equipo contra incendio. 7. Equipo de filtrado de aceite. 8. Sistema de tierras. 9. Carrier. 10. Intercomunicación. 11. Trincheras, conducto, drenajes. 12. Cercas.

1.2 TRANSFORMDORES DE POTENCIA Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro al silicio. Las bobinas o devanados se denominan “primario y secundario” según correspondan a la tensión alta o baja, respectivamente. También existen transformadores con más devanados, en este caso puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Se denomina transformador a una máquina electromagnética que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño.

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Figura 4. Transformador de potencia. 1.2.1 CLASIFICACION DE LOS TRANSFORMADORES Los transformadores se pueden clasificar por: a) La forma de su núcleo. 1. 2. 3. 4.

Tipo columnas. Tipo acorazado. Tipo envolvente. Tipo radial.

b) Por el número de fases. 1. Monofásico. 2. Trifásico. c) Por el número de devanados. 1. Dos devanados. 2. Tres devanados. d) Por el medio refrigerante. 1. Aire. 2. Aceite. 3. Líquido inerte. e) Por la operación. 1. 2. 3. 4. 5.

De potencia. Distribución De instrumento De horno eléctrico De ferrocarril Av. Melchor Ocampo # 2555, Col. Cuarto Sector, C.P. 60950, Cd. Lázaro Cárdenas, Michoacán,

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1.2.2 TIPOS DE ENFRIAMIENTO EN TRANSFORMADORES TIPO OA Sumergido en aceite con enfriamiento propio. Por lo general en transformadores de más de 50 kva se usan tubos radiadores o tanques corrugados para disminuir las pérdidas; En capacidades mayores de 3000kva se usan radiadores del tipo desmontable. Este tipo de transformador con voltajes de 46kv o menores puede tener como medio de enfriamiento líquido inerte aislante en vez de aceite. El transformador OA es el tipo básico y sirve como norma para capacidad y precio de otros. TIPO OA/FA Sumergido en aceite con enfriamiento propio, por medio de aire forzado. Este básicamente un transformador OA con adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor. TIPO OA/FA/FOA Sumergido en aceite con enfriamiento propio a base de aire forzado y aceite forzado. Este transformador es básicamente un OA, con adición de ventiladores y bombas para la circulación de aceite TIPO FOA Sumergido en aceite, enfriado con aceite forzado y con enfriador de aire forzado. Este tipo de transformadores se usa únicamente donde se desea que operen al mismo tiempo las bombas de aceite y los ventiladores; tales condiciones absorben cualquier carga a pico a plena capacidad. TIPO OW Sumergido en aceite y enfriado con agua. En este tipo de transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislarte del transformador. El aceite circula alrededor de los serpentines por convicción natural. TIPO AA

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Tipo seco, con enfriamiento propio, no contiene aceite ni otros líquidos para enfriamiento; son usados en voltajes nominales menores de 15 Kv en pequeñas capacidades. TIPO AFA Tipo seco, enfriado por aire forzado. Estos transformadores tienen una capacidad simple basada en la circulación de aire forzado por ventiladores o sopladores. CONTROL DEL TRANSFORMADOR 1. Temperatura del transformador. 2. Presión del transformador 3. Nivel de aceite o líquido 4. Rigidez del aceite (Dieléctrica)

1.3 INTERRUPTORES DE POTENCIA 1.3.1 DEFINICION Y TIPOS DE INTERRUPTORES El interruptor de potencia es el dispositivo encargado de desconectar una carga o una parte del sistema eléctrico, tanto en condiciones de operación normal (máxima carga o en vacío) como en condición de cortocircuito. La operación de un interruptor puede ser manual o accionada por la señal de un relé encargado de vigilar la correcta operación del sistema eléctrico, donde está conectado. Los principales tipos de interruptores son:    

Interruptores de gran volumen de aceite Interruptores en aire Interruptores en vacío Interruptores de hexafloruro de azufre.

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Figura 5. Interruptor de potencia. 1.3.2 INTERRUPTORES DE GRAN VOLUMEN DE ACEITE Se caracterizan principalmente por que el núcleo ferromagnético se encuentra totalmente sumergido en aceite, consta de un tanque con tapa, intercambiadores de calor, bombas y cubículo para el aceite. 1.3.3 INTERRUPTORES EN AIRE Con el desarrollo de este interruptor se eliminó el riesgo de explosión de los interruptores de aceite. Los interruptores de aire para tensiones entre 72,5 KV y 800 KV son del tipo tanque vivo. El apagado del arco se efectúa por la acción de un chorro de aire comprimido que barre el aire ionizado del arco. Las desventajas que presentan los interruptores de aire, básicamente son el alto costo de las instalaciones neumáticas y el mantenimiento frecuente que requieren debido al gran número de válvulas y equipos de compresión, además del fuerte ruido que se produce en la operación del equipo debido a las altas presiones a las que se encuentra sometido el aire. 1.3.4 INTERRUPTORES DE VACIO Los interruptores de vacío cortan las corrientes eléctricas en caso de cortocircuitos y otras fallas eléctricas, y permiten la desconexión manual de los circuitos para situaciones de reparaciones y mantenimiento. Estos dispositivos contienen un espacio evacuado que cumple una importante función. La alta rigidez dieléctrica que presenta el vacío (es el aislante perfecto) ofrece una excelente alternativa para apagar en forma efectiva el arco. En efecto, cuando un circuito en corriente alterna se des energiza separando un juego de contactos ubicados en una cámara en vacío, la corriente se corta al primer cruce por cero o antes. 1.3.5 INTERRUPTORES DE HEXAFLORURO DE AZUFRE El SF 6 se usa como material aislante y también para apagar el arco. El SF 6 es un gas muy pesado (5 veces la densidad del aire), altamente estable, inerte, inodoro e inflamable. En presencia del SF 6 la tensión del arco se mantiene en un valor bajo, razón por la cual la energía disipada no alcanza valores muy elevados. La rigidez dieléctrica del gas es 2.5 veces superior a la del aire (a presión Av. Melchor Ocampo # 2555, Col. Cuarto Sector, C.P. 60950, Cd. Lázaro Cárdenas, Michoacán,

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atmosférica). La rigidez dieléctrica depende de la forma del campo eléctrico entre los contactos, el que a su vez depende de la forma y composición de los electrodos. Si logra establecerse un campo magnético no uniforme entre los contactos, la rigidez dieléctrica del SF 6 puede alcanzar valores cercanos a 5 veces la rigidez del aire. Son unidades selladas, trifásicas y pueden operar durante largos años sin mantenimiento, debido a que prácticamente no se descompone, y no es abrasivo. 1.3.6 ESPECIFICACION DE INTERRUPTORES DE POTENCIA El interruptor de potencia es el dispositivo encargado de desconectar una carga o una parte del sistema eléctrico, tanto en condiciones de operación normal (máxima carga o en vacío) como en condición de cortocircuito. La operación de un interruptor puede ser manual o accionada por la señal de un relé encargado de vigilar la correcta operación del sistema eléctrico, donde está conectado. Existen diferentes formas de energizar los circuitos de control. Para obtener una mayor confiabilidad, estos circuitos se conectan a bancos de baterías. Este tipo de energización, sí bien aumenta los índices de confiabilidad, también aumenta el costo y los requerimientos de mantención exigidos por las baterías. Las tensiones más empleadas por estos circuitos son de 48 y 125 V. También es común energizar estos circuitos de control, a través de transformadores de servicios auxiliares, conectados desde las barras de la central generadora o subestación, con un voltaje secundario en estrella de 400/231 Volts. 1.3.7 SELECCIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA La selección de un interruptor de potencia para una determinada aplicación consiste en definir un conjunto de valores que limitan las condiciones de operación máximas del interruptor. Los parámetros a indicar son algunos de los cuales deben tenerse presente: Tensión Nominal Es el máximo valor efectivo de tensión al cual el interruptor puede operar en forma permanente. En general esta tensión es mayor al voltaje nominal del sistema. Frecuencia nominal Es la frecuencia a la cual el interruptor está diseñado para operar. Este valor tiene incidencia en los tiempos de apertura y cierre de los contactos además del tiempo de apagado del arco. Av. Melchor Ocampo # 2555, Col. Cuarto Sector, C.P. 60950, Cd. Lázaro Cárdenas, Michoacán,

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Corriente nominal Es el máximo valor efectivo de corriente que puede circular a través del interruptor en forma permanente, a frecuencia nominal, sin exceder los límites máximos de temperatura de operación indicados para los contactos. La temperatura en los contactos depende del material que están hechos (cobre, plata o equivalente), del medio en que están sumergidos, y de la temperatura ambiente. En interruptores con contactos de cobre, las máximas temperaturas de operación, están referidas a una temperatura ambiente máxima de 40 ºC y en caso de contactos de plata de 55 ºC. Rigidez dieléctrica Define la máxima tensión que soporta el interruptor sin dañar su aislación. La rigidez dieléctrica debe medirse entre todas las partes aisladas y partes energizadas y también entre los contactos cuando están abiertos. Estas pruebas se realizan entre contactos y tierra (contacto cerrado), a través de los contactos, entre fases (con contactos cerrados). Ciclo de trabajo El ciclo de trabajo normal de un interruptor de potencia se define como dos operaciones "cerrar-abrir" con 15 segundos de intervalo. Para este ciclo de trabajo, el interruptor debe ser capaz de cortar la corriente de cortocircuito especificada en sus características de placa. Corrientes de cortocircuito de momentánea Es el valor máximo efectivo que debe soportar el interruptor sin que sufra un deterioro, debe ser capaz de soportar el paso de esta corriente en los primeros ciclos cuando se produce la falla (1 a 3 ciclos). Entre estas corrientes deben especificarse los valores simétricos y asimétricos. Corrientes de cortocircuitos de interrupción. Es el máximo valor efectivo medido en el instante en que los contactos comienzan a separarse. Esta corriente corresponde a un cortocircuito trifásico o entre líneas con tensión y ciclo de trabajo nominal. Entre estas corrientes deben especificarse los valores simétricos y asimétricos de interrupción.

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1.4 CUCHILLAS Y FUSIBLES 1.4.1 DEFINICION DE CUCHILLAS CONECTORAS Son dispositivos que sirven para conectar y desconectar diversas partes de una instalación eléctrica, para efectuar maniobras de operación o bien para darles mantenimiento. Las cuchillas pueden abrir circuitos bajo la tensión nominal pero nunca cuando están fluyendo corriente a través de ellas. Antes de abrir un juego de cuchillas siempre deberá abrirse primero el interruptor correspondiente. La diferencia entre un juego de cuchillas y un interruptor, considerando que los dos abren y cierran los circuitos es que las cuchillas no pueden abrir un circuito con corriente y el interruptor si puede abrir cualquier tipo de corriente, desde el valor nominal hasta el valor de corto circuito.

Figura 6. Componentes de una cuchilla. COMPONENTE Las cuchillas están formadas por una base metálica de lámina galvanizada con un conector para puesta a tierra; dos o tres columnas de aisladores que fijan el nivel básico de impulso, y encima de estos, la cuchilla. La cuchilla está formada por una navaja o parte móvil y la parte fija, que es una mordaza que recibe y presiona la parte móvil. Existen cuchillas individuales, es decir, una cuchilla para cada fase, y cuchillas de operación en grupo.

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Este tipo de cuchillas se encuentran sostenidas mecanicamente y pueden operarse ya sea automática o manualmente. Para reestablecer basta con volverlas a conectar automáticamente o bien, con ayuda de una pértiga.

1.4.2 FUSIBLES DE POTENCIA Y SUS CURVAS DE OPERACIÓN Son dispositivos de protección eléctrica de una red que hacen las veces de un interruptor, siendo más baratos que estos. Se emplean en aquellas partes de una instalación eléctrica en que los relevadores y los interruptores no se justifican económicamente.

Su función es la de interrumpir circuitos cuando se producen en ellos una sobre corriente, y soportar la tensión transitoria de recuperación que se produce posteriormente. Para los elementos fusibles se utiliza como material un alambre de aleación a base a plomo, para el caso de baja tenciones y corrientes, y una cinta de aislación a base de cobre y aluminio, para el caso de mayores corrientes. Figura 7. Fusible de potencia. TIPOS DE FUSIBLES De acuerdo con su capacidad de ruptura, lugar de instalación y costo, se pueden utilizar diferentes tipos de fusibles, entre los más conocidos se pueden identificar los siguientes: 1. EXPULSION.- Estos aprovechan la generación y expulsión de un gas a alta presión que, al ser inyectado a través del arco producido provoca la extinción del mismo.

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2. LIMITADOR DE CORRIENTE.- Este tipo de fusible tiene doble acción, por un lado reduce la corriente de falla debido a la característica de introducir una resistencia elevada en el circuito y por otro, debido al incremento de la resistencia pasa de un circuito de bajo factor de potencia, desfasando el cero normal de la onda de corriente a un punto cercano normal de la onda de tención. 3. VACIO.- En este tipo de interrupción se produce al separarse los contactos dentro de un recipiente hermético en el que se ha hecho el vacío, de tal manera que a medida que se separan los contactos, la corriente se concentra en los puntos mas salientes de la superficie del contacto y cesa cuando se evapora el ultimo puente entre dos contactos. 1.4.3 ESPECIFICACIONES DE CUCHILLAS Y FUSIBLES Este tipo de cuchillas abren al presentarse una sobre corriente. Este tipo de cuchillas tienen internamente un elemento fusible calibrado para que con determinada corriente alcance su punto de fusión e interrumpa el paso de la corriente eléctrica a través de él. Para reestablecer es necesario reponer el elemento fusible a la cuchilla y volver a conectar. Las cuchillas fusibles son por lo general de operación unipolar, en caso de fundirse únicamente una fase, únicamente ésta es repuesta y no necesariamente se tienen que abrir las demás fases.

1.5 APARTARRAYOS 1.5.1 NATURALEZA DE LAS SOBRETENSIONES Y SUS EFECTOS EN LOS SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA Las sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema pueden ser de dos tipos: 1. Sobretensiones de tipo atmosférico. 2. Sobretensiones por fallas en el sistema. En el estudio que ahora trataremos nos ocuparemos de las sobretensiones de tipo atmosférico.

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El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones contra sobretensiónes de tipo atmosférico. Las ondas que presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz y dañan al equipo si no se tiene protegido correctamente; para la protección del mismo se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: 1. Descargas directas sobre la instalación 2. Descargas indirectas De los casos anteriores el más interesante, por presentarse con mayor frecuencia, es el de las descargas indirectas. Las sobretensiones son voltajes transitorios mayores a los máximos voltajes de operación del sistema. De acuerdo al tipo de sobretensión estos pueden ser limitados por distintos medios de protección. La amplitud de las sobretensiones se puede limitar mediante pararrayos u otros medios de protección. Existen tres tipos de sobretensiones: las temporales, las de maniobra y las atmosféricas. Las sobretensiones temporales y las de maniobra son consideradas de origen interno del sistema, como resultado de un fenómeno transitorio, mientras que las atmosféricas se consideran de origen externo. SOBRETENSIÓN DE MANIOBRA Las sobretensiones de maniobra están asociadas a todas las operaciones de maniobra y fallas en un sistema. Sus altas amplitudes están generalmente en el rango de 2 a 4 p.u., dependiendo mucho de los valores reales del diseño del sistema y de los medios para limitarlos. SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS Las sobretensiones atmosféricas de amplitudes grandes pueden entrar a una subestación como resultado de descargas atmosféricas directas sobre una línea o como flameos inversos en una torre. La subestación debe estar protegida contra descargas directas mediante un apantallamiento eficiente. Para tensiones de 220kV su valor esta entre 4 y 6 p.u. es decir, entre 880kV y 1520kV.

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De acuerdo con la IEC 60-2, la tensión de prueba normalizada para sobretensiones atmosféricas tiene un tiempo de frente de 1.2 µs y un tiempo de cola medio de 50 µs. En la Figura 8, se observa la representación esquemática de los diferentes tipos de sobretensiones.

Figura 8. Representación esquemática de los diferentes tipos de sobretensiones. El apartarrayos es eso: apartar los rayos en una zona ó área específica, o sea que las descargas se dirigirén hacia las puntas metálicas del apartarrayos que estarán instalados en postes también con conexión propia a tierra, generalmente se usan en campo para proteger líneas y subestaciones de alta tensión o cualquier equipamiento eléctrico en campo abierto. 1.5.2 DEFINICION Y OPERACIÓN DE APARTARRAYOS El apartarrayos, dispositivo que se encuentra conectado permanentemente en el sistema, opera cuando se presenta una sobretensión de determinada magnitud, descargando la corriente a tierra. Su principio general de operación se basa en la formación de un arco eléctrico entre dos explosores cuya operación está determinada de antemano de acuerdo a la tensión a la que va a operar.

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Se fabrican diferentes tipos de apartarayos, basados en el principio general de operación; por ejemplo: los más empleados son los conocidos como “apartarrayos tipo autovalvular” y “apartarrayos de resistencia variable”. El apartarrayos tipo autovalvular consiste de varias chapas de explosores conectados en serie por medio de resistencias variable cuya función es dar una operación más sensible y precisa. Se emplea en los sistemas que operan a grandes tensiones, ya que representa una gran seguridad de operación.

Figura 9. Apartarrayos. El apartarrayos de resistencia variable funda su principio de operación en el principio general, es decir, con dos explosores, y se conecta en serie a una resistencia variable. Se emplea en tensiones medianas y tiene mucha aceptación en el sistema de distribución. La función del aparterrayos no es eliminar las ondas de sobretensión Presentadas durante las descargas atmosféricas, sino limitar su magnitud a valores que no sean perjudiciales para las máquinas del sistema. Las ondas que normalmente se presentan son de 1.5 a 1 µs. (Tiempo de frente de onda). La función del apartarrayos es cortar su valor máximo de onda (aplanar la onda).

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Las sobretensiones originadas por descargas indirectas se deben a que se almacenan sobre las líneas cargas electrostáticas que al ocurrir la descarga se parten en dos y viajan en ambos sentidos de la línea a la velocidad de la luz. Los apartarrayos protegen también a las instalaciones contra descargas directas, para lo cual tiene un cierto radio de protección. Para mayor seguridad a las instalaciones contra las cargas directas se instalan unas varillas conocidas como bayonetas e hilos de guarda semejantes a los que se colocan en las líneas de transmisión. La tensión a que operan los apartarrayos se conoce técnicamente como tensión de cebado del apartarrayos. El condensador se emplea como filtro con los apartarrayos de los generadores. Los partarrayos se emplean para limitar las sobretensiones que se producen por acción tanto de efectos transitorios (sobretensión debida a operación de interruptores) como de descargas atmosféricas a niveles en los que los aislamientos del equipo no sufran deterioro, así como para asegurar la continuidad del servicio al presentarse dichas sobretensiones. Cada apartarrayos se encuentra normalmente abierto y se encuentra calibrado para que a partir de cierta tensión entre línea y tierra se cierre automáticamente y filtre los frentes de onda. Esto de hace con un circuito de resistencia variable, con tensión, de los elementos dependiendo de la naturaleza de éstos. Al desaparecer la sobretensión el apartarrayos vuelve a la posición de abierto. Deben instalarse apartarrayos en plantas industriales, especialmente en lugares donde las tormentas son frecuentes y de gran intensidad. Su instalación, tanto para proteger al equipo de la subestación como al equipo de utilización, puede hacerse tanto en el exterior como en el interior del local que contiene al equipo que se va a proteger, tan cerca de éste como sea factible, tomando en cuenta que deben estar fuera de pasillos y alejados de otro equipo, así como de partes combustibles del edificio. Además, deben resguardarse, ya sea por su elevación o por su localización, en sitios inaccesibles a personas no idóneas, o bien, protegidos por defensas o barandales adecuados. Av. Melchor Ocampo # 2555, Col. Cuarto Sector, C.P. 60950, Cd. Lázaro Cárdenas, Michoacán,

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1.5.2.1 NIVEL BASICO AL IMPULSO MANIOBRA El NPM para un pararrayos de ZnO se obtiene así: 

Sistema con tensión máxima menor de 145kV, máximo voltaje residual con impulso de corriente de maniobra (30/60m s) de 0.5 kA.



Sistema con tensiones entre 145kV y 362kV el impulso de corriente de maniobra debe ser de 1kA.



Sistemas con tensiones superiores, el impulso de corriente de maniobra debe ser de 2kA.

De acuerdo a la tabla 4, la tensión nominal del pararrayo R, queda normalizada así: Valor Normalizado R = 192 kV. NPM (SIPL) = 374 kV. NPR (LIPL) = 442 kV. Debido a que las características de altura de la subestación no son de importancia como se menciono en la etapa de planeación, entonces no se harán correcciones por altura al nivel de protección para impulso tipo atmosférico (NPR). De igual manera se consideró que el nivel ceraunico no era representativo, por lo cual se decidirá que la corriente de choque que soportara los pararrayos será de 10kA, debido al nivel de tensión a manejar (>30kV). 1.5.2.2 NIVEL BASICO AL IMPULSO DE DESCARGAS De las ondas debidas a rayos, solo llegan a la subestación aquellas cuya magnitud es inferior al nivel de aislamiento de línea y que, por lo tanto, no alcanzan a contornear los aisladores de la instalación. Están ondas pueden ser de polaridad positiva o negativa, predominando estas últimas. Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes, y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser positivos o negativos. Los más comunes, siendo el 90 % de los rayos detectados, son de una nube negativa hacia tierra.

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1.5.2.4 COORDINACION DE AISLAMIENTO Se pueden distinguir dos métodos de coordinación de aislamiento: determinista y estadístico. • La aplicación de uno u otro método dependerá de la información disponible sobre el sistema y las tensiones representativas. • El método estadístico se puede aplicar cuando es posible obtener la función de densidad de probabilidad de las sobretensiones representativas. • La distribución estadística de sobretensiones y la función de probabilidad de fallo del aislamiento permiten obtener el riesgo de fallo de un equipo. SOBRETENCIONES A CONSIDERAR • Tensiones permanentes – Tensión más alta del sistema en régimen permanente • Sobretensiones temporales – Faltas a tierra – Pérdida de carga – Resonancia y ferro resonancia Sobretensiones de frente lento – Conexión y reenganche de líneas – Faltas y su eliminación – Maniobras de corrientes inductivas y capacitivas Sobretensiones de frente rápido – Caída de rayos sobre líneas Sobretensiones de frente muy rápido – Maniobras de seccionadores – Defectos en GIS

Procedimiento para coordinación de aislamiento 1. Estimación de la tensión representativa en los equipos o en la instalación a diseñar, teniendo en cuenta los niveles de protección proporcionados por los dispositivos de protección instalados y el valor máximo de la tensión de operación: Av. Melchor Ocampo # 2555, Col. Cuarto Sector, C.P. 60950, Cd. Lázaro Cárdenas, Michoacán,

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– para instalaciones de gama I se analizan las sobretensiones temporales y las de origen atmosférico, – para instalaciones de gama II se analizan las sobretensiones de frente lento y las de origen atmosférico 2. Se determina la tensión soportada de coordinación, que es la tensión soportada que cumple los criterios de diseño en las condiciones de servicio en que funcionarán los equipos o la instalación. – Esta tensión se basa en el riesgo de fallo aceptado, y su cálculo se realizará multiplicando la tensión representativa por el factor de coordinación, Kc, que depende del tipo de aislamiento y del método de coordinación de aislamiento (determinista, estadístico) que es posible aplicar.

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