DESCARGADORES DE SOBRETENSION O PARARRAYOS Y COORDINACION DEL AISLAMIENTO Introducción
En la vida moderna, la energía eléctrica se ha convertido en un factor imprescindible para el desempeño de las sociedades. En el proceso de generación, trasmisión, trasmisión, distribución y uso de la misma se generan algunos problemas, entre ellos las sobretensiones, que pueden ser producidas por el sistema o bien son debidas a factores externos a las instalaciones. Las sobretensiones deben ser limitadas para evitar daños a los equipos y a las personas y animales expuestos a las mismas. El método mas utilizado para la limitación de las sobretensiones sobretensiones es el uso de los descargadores de sobretension o pararrayos. Otra posibilidad es la 'coordinación del aislamiento', que consiste en configurar las propiedades propiedades aislantes de todos los equipos del sistema si stema eléctrico de forma que este no se vea afectado por las sobretensiones. Éstas se producen, utilizando un término bastante literal, a la velocidad del rayo, y poder soportarlas implica el uso de un aislamiento de enormes dimensiones, dimensiones, el cual, además de ocupar un valioso espacio, conlleva costes adicionales. En general, un pararrayos es un dispositivo cuya misión es proteger los equipos y fundaciones de los efectos desastrosos de las sobretensiones. Según su forma protección pueden ser de tres tipos: 1. Pararrayos Pararrayos ionizantes o tipo franklin 2. Pararrayos desionizantes 3. Pararrayos de redes y equipos o supresores de sobretension I.- PARARRAYOS TIPO FRANKLIN
Un pararrayos tipo franklin es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo y rayo y canalizar la l a descarga eléctrica hacia tierra, de modo tal que no cause daños a construcciones o personas. Fue inventado en 1753 por 1753 por Benjamín Franklin mientras Franklin mientras efectuaba una serie de experimentos sobre la propiedad que tienen las puntas agudas, puestas en contacto con la tierra, de descargar los cuerpos electrizados situados en su proximidad. Pueden ser ionizantes pasivos e ionizantes semiactivos.
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Están compuestos por una barra de hierro coronada por una punta de cobre o de platino colocada en la parte más alta de la zona protegida. La barra está unida, mediante un cable conductor, a tierra (la toma de tierra es la prolongación del conductor que se ramifica en el suelo, o placas conductoras también enterradas, o bien un tubo sumergido en el agua de un pozo). El radio de la zona de protección de un pararrayos, en principio, es igual a su altura desde el suelo, y evita los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos, como redes eléctricas, subestaciones, edificios, árboles o personas y animales. Principio de Funcionamiento
Consiste en que la descarga electrostática se produce con mayor facilidad, siguiendo un camino de menor resistividad eléctrica, por lo cual un metal se convierte en un camino favorable al paso de la corriente eléctrica. Los rayos caen también principalmente en los objetos más elevados ya que su formación se favorece cuanto menor sea la distancia entre la nube y la tierra.
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1.1- Pararrayos ionizantes pasivos. (Puntas simple Franklin, PSF) Características básicas. Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, denominados Punta simple Franklin, no tienen ningún dispositivo electrónico ni fuente radioactiva. Su medida varía en función del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan un sistema metálico cerca de la punta para generar un efecto de condensador. Principio de funcionamiento. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos, la instalación conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, la tensión eléctrica generada por la tormenta, para compensar la diferencia de potencial en el punto más alto de la instalación. Durante el proceso de la tormenta se generan campos eléctricos de alta tensión que se concentran en las puntas mas predominantes, a partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo, aparece la ionización natural o efecto corona, son mini descargas disruptivas que ionizan el Aire, este fenómeno es el pri ncipio de excitación para trazar un camino conductor que facilitara la descarga del fenómeno rayo.
En función de la transferencia o intercambio de cargas, se puede apreciar en la PSF, chispas diminutas en forma de luz, ruido audible, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la energía acumulada; el proceso puede repetirse varias veces. Ing. Ricardo Guerrero
Función Proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica.
Nota: Se han dado casos que el efecto térmico ha fundido varios centímetros de acero de la punta Franklin. 1.2- Pararrayos ionizantes dispositivo de cebado, PDC)
Semi-activos
(pararrayos
con
Características básicas.
Están formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en una punta, incorporan un sistema electrónico que genera un avance en el cebado del trazado; No incorporan ninguna fuente radioactiva, tienen un dispositivo electrónico sensible compuesta de diodos, bobinas, resistencias y condensadores, inundados en una resina aislante, todo ello blindado; otros incorporan un sistema piezoeléctrico. Los dos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo una vez que se produce la carga del dispositivo de excitación. Las medidas de los cabezales varían en función del modelo de cada fabricante.
Principio de funcionamiento. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos. La instalación conduce primero hacia arriba por el cable desnudo de tierra, la tensión eléctrica generada por la tormenta, al punto más alto de la i nstalación para compensar la diferencia de potencial. El sistema electrónico aprovecha la influencia eléctrica del aumento de potencial entre la nube y la tierra, para auto alimentar el circuito electrónico y excitar la avalancha de electrones, la excitación del rayo se efectúa ionizando el aire por impulsos repetitivos, según aumente gradualmente la diferencia de potencial aportada por la saturación de cargas eléctrico-atmosféricas aparece la ionización natural o efecto corona, son mini descargas periódicas que ionizan el aire , este fenómeno es el principio de excitación para trazar un camino conductor intermitente que facilitara la descarga del fenómeno rayo.
Durante el proceso de la tormenta se generan campos de alta tensión que se concentran en las pu ntas mas predominantes, a partir de una magnitud del campo eléctrico alrededor de la punta o electrodo, Ing. Ricardo Guerrero
aparece la ionización por impulsos, son pequeños flujos eléctricos, se puede apreciar en forma de diminutas chispas de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenómeno arranca una serie de avalancha electrónica por el efecto campo, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, éste a su vez junto con el electrón original puede ionizar otros átomos produciendo así una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica, el rayo es el resultado de la saturación de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la energía acumulada en el condensador atmosférico ( nubetierra ); el proceso puede repetirse varias veces. El dispositivo electrónico del PDC está conectado en serie entre el soporte del cabezal y el cabezal aéreo Función Proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y capturando su impacto para conducir su potencial de alta tensión a la toma de tierra eléctrica.
Estos equipos se caracterizan por incorporar un sistema de cebado que anticipan la descarga de 25 a 68 ųs, micro-segundos. Dispositivo de cebado
El sistema de cebado necesita un tiempo de carga para activar el dispositivo electrónico que generara un impulso, a continuación volverá a efectuar el mismo proceso mientras exista el aporte de energía natural, este tiempo de carga del dispositivo electrónico no se contabiliza en los ensayos de laboratorio de alta tensión de un PDC. En el campo de aplicación, el dispositivo electrónico instalado en la punta del PDC, necesita un tiempo de trabajo para la cargar del sistema de cebado; Durante ese proceso, el efecto de ionizacion se retrasa en la punta del PDC referente a los sistemas convencionales de pararrayos Franklin. El dispositivo de cebado está construido con componentes electrónicos sensibles a los campo s electromagnéticos, está instalado en el cabezal aéreo ( PDC) dentro de la influencia de los efectos térmicos, electrodinámicos y electromagnéticos del rayo. En fusión de la intensidad de descarga del rayo la destrucción del dispositivo electrónico es radical, a partir de ese momento la eficacia del PDC no
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esta garantizada y la instalación de protección queda fuera de servicio. Algunos fabricantes aconsejan la revisión del circuito electrónico del pararrayos cada vez que recibe un impacto.
II.- PARARRAYOS DESIONIZANTES PASIVOS (TECNOLOGÍA CHARGE TRANSFER SYSTEM, CTS) Características básicas.
Los Pararrayos Desionizadores de Carga Electroestática (PDCE), incorporan un sistema de transferencia de carga, no incorporan ninguna fuente radioactiva. Se caracteriza por transferir la carga electroestática antes de la formación del rayo anulando el fenómeno de ionización o efecto corona. El cabezal del pararrayos está constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dieléctrico, todo ello soportado por un pequeño mástil de acero inoxidable. Su forma es esférica y el sistema está conectado en serie con la propia toma de tierra para transferir la carga electroestática a tierra evitando la excitación e impacto directo del rayo. principio de funcionamiento. Se basa esencialmente en can alizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos, manteniendo así el campo eléctrico estable a nivel de tierra, la instalación conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra; la tensión eléctrica generada por la tormenta eléctrica al punto más alto de la instalación, durante el proceso de la tormenta se genera campos de alta tensión que se concentran en el electrodo inferior (cátodo -) , a partir de una magnitud del campo eléctrico, el electrodo superior (ánodo +) atrae cargas opuestas para compensar la diferencia de potencial interna del cabezal , durante el proceso de transferencia, en el interior del pararrayos se produce un flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo, este proceso natural anula el efecto corona en el exterior del pararrayos, no produciendo descargas disruptivas, ni ruido audible, ni radiofrecuencia, ni vibraciones del conductor. Durante el proceso, se produce una fuga de corriente a tierra por el cable conductor eléctrico de baja resistencia, los valores máximos que se pueden registrar durante el proceso de máxima actividad de la tormenta , no superan los 300 miliamperios.
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Objetivo Evitar el impacto directo en la zona de protección para proteger a las personas, animales e instalaciones. El conjunto de la instalación se diseña para canalizar la energía del proceso anterior a la formación del rayo desde el cabezal aéreo hasta la toma de tierra. ( las instalaciones de la puesta a tierra y cables del pararrayos están reguladas según las normativas de baja tensión)
III.- PARARRAYOS DE REDES Y EQUIPOS O SUPRESORES DE SOBRETENSION Son dispositivos eléctricos formados por una serie de elementos resistivos no lineales y explosores que limitan la amplitud de las sobretensiones. Se disponen siempre conectados a la red o equipo a proteger.
Funciones Descargar las sobretensiones cuando su magnitud llega al valor de la tensión Conducir a tierra la corriente de descarga producida por las sobretensiones Volver a su estado original al desaparecer las sobretension La tensión residual debe ser menor que la máxima tensión que resisten los aparatos a ser protegidos
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Por su construcción se pueden dividir en: Cuernos de arqueo Autovalvulares De óxidos metálicos
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3.1- Cuernos de arqueo
Son los pararrayos más antiguos, están constituidos por un solo explosor en el caso más sencillo, o por varios explosores en serie, conectado por un lado al circuito a proteger, y por el otro a la red de tierra
Este es el tipo más económico, tiene la desventaja de que una vez iniciada la descarga, en los explosores se ioniza el aire presente y la corriente de descarga se convierte en una corriente de cortocircuito a tierra que solo se puede eliminar con la apertura de un interruptor o fusible adecuado.
3.2- Pararrayos Autovalvulares Están formados por una serie de resistencias no lineales de carburo de silicio (SiC), con inductancia despreciable, conectadas en serie con varios explosores
de forma intercalada.
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Las resistencias evitan que, una vez una vez iniciada la descarga en los explosores, la misma sea permanente. Además permiten disminuir las distancias de los explosores con lo que proporcionan mayor sensibilidad a los explosores. Las resistencias no lineales son unos pequeños cilindros formados por partículas de carburo de silicio (SiC) con dimensiones del orden de los 200 micrones.
La interacción de entre el carburo de silicio y el material aglutinador generan una resistencia no lineal, con la cual se obtiene la curva característica tensiónCorriente correspondiente. Estos resistores tienen la propiedad de disminuir su resistencia en presencia de sobretensiones y aumentarlas a un valor prácticamente infinito al regresar la tensión a su valor nominal
Funcionamiento Cuando se origina una sobretension, se produce un arqueo en los explosores, iniciando la conducción a tierra de la energía excesiva, en este momento las resistencias presentan su valor mínimo el cual ira aumentando a medida que disminuye el valor de la tensión, la corriente resultante es limitada a pequeños valores hasta que en una de las pasadas por cero de la onda de corriente, la misma es interrumpida definitivamente gracias al aumento de las resistencias y la acción de los explosores.
En la figura siguiente se presenta el efecto de una onda de choque sobre un pararrayos de tipo autovalvular.
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3.3- Pararrayos de Óxidos Metálicos
Esta basado en las propiedades semiconductoras de los óxidos metálicos, especialmente se ha desarrollado un pararrayos de oxido de zinc (ZnO). La curva tensión-Corriente de las resistencias de este material es menos lineal que la del carburo de silicio. La constitución de las resistencias es similar a las de carburo de silicio pero de menor tamaño y se apilan en una columna hueca de porcelana, sin explosores.
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Funcionamiento Cuando de produce un aumento de la tensión los resistores disminuyen sus valores, provocando una rápida reducción de los niveles de tensión a la vez que las resistencias retorna a sus valores nominales limitando la corriente de paso a tierra
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Caracteristicas Electri cas de los Pararrayos
Tension Nominal: Es el valor máximo de tensión rms a frecuencia industrial entre los terminales del pararrayos para la cual esta diseñado para operar correctamente durante 10 segundos a 60Hz. Corriente de Descarga: Es la corriente de impulso que pasa a través del descargador . Corriente de Descarga Nominal Es el valor pico de la corriente de descarga un impulso de 8/ 20µs que puede conducir el descargador en un numero y sucesión definidos. Tension Residual: Es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga Tension de Reaccion: Es el valor pico más bajo de una onda de tipo atmosférico a la cual, cu ando es aplicada a un pararrayos, produce el inicio de la descarga. Tension de Referencia: Valor pico más alto dividido por √2 (valor RMS) de la tensión a frecuencia industrial, medido cuando por el descargador circula la corriente de referencia.
Selección de pararrayos La selección del valor nominal del pararrayos Vn es aquel valor de la tensión para la cual se puede interrumpir la corriente remanente de una falla transitoria. Uno de los puntos a tomar en cuenta en la selección del pararrayos son las tensiones de falla a tierra. Como sabemos, la magnitud de estas sobretensiones depende del método utilizado para la conexión del neutro a tierra, en función de ello se usan pararrayos del 100%, 80% y 75%.
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En sistemas con el neutro aislado se utiliza el 100%. Para los demás se utilizan curvas como las mostradas a continuación, y en función de la relación existente entre la reactancia de secuencia cero del sistema (X0) y la de secuencia positiva (X1) y Ro y X1 se selecciona el tipo de pararrayos en %
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Como una guía para la Selección de la tensión nominal de DST ZnO, la norma ANSI/IEEE C 62.11 de 1987 presenta una tabla relacionando la tensión nominal y la máxima tensión continua de operación (MCOV).
Características principales de los descargadores de sobretension •
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Mientras la tensión de entrada no alcance cierto valor predeterminado, deben comportarse como un aislador Cuando la tensión alcance dicho valor, debe conducir a tierra toda la corriente producida por la sobretension Después de desaparecida la sobretension y reestablecida la tensión nominal, debe ser capaz de interrumpir la corriente drenada a tierra.
Pruebas de los Pararrayos
IEC 99-1 (Lightning Arresters ) -
Temperatura: -40°C y +40°C Altitud: 1000 msnm Frecuencia: 48 a 60 Hz Condiciones especiales de fabricación
Pruebas Especiales -
Prueba de trabajo bajo capa contaminante Prueba de corrosión rápida Prueba con cambio de temperatura Prueba de vibración Prueba de movimientos sísmicos
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Especificaciones Tecnic as de los Pararrayos -
Tensión de reacción Tensión residual al impulso de voltaje de rayo (1.2/5.0 µseg) Tensión residual al impulso de voltaje de maniobra (250/2500 µseg) Corriente nominal de descarga Capacidad de absorción de energía Tipo (SiC o de ZnO) Característica V-I Otros (Dimensiones, aro sobre el descargador, entrehierros)
Coordinación del Aislamiento Son acciones a tomar en la prevención de daños al equipo eléctrico debido a sobretensiones. O, de otra manera, el la totalidad de las medidas tomadas para restringir los arqueos y perforaciones del aislamiento causados por sobretensiones. La coordinación del aislamiento compara las características de operación de un pararrayos, dadas por sus curvas de tensión-tiempo, contra las características de respuesta del aislamiento del equipo a proteger dadas también sus propias curvas tensión tiempo; o sea, se refiera a la correlación entre los esfuerzos dieléctricos aplicados y los esfuerzos dieléctricos resistentes. El propósito de la coordinación del aislamiento es determinar las necesarias y suficientes características de aislamiento de varios componentes de la r ed para obtener el soporte uniforme para la tensión normal y las sobretensiones de diverso orígenes. Su objetivo final es garantizar una distribución de la potencia segura y optima.
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Estudio de la coor dinación del aislamiento para una subestación La optimización de la selección del nivel de aislamiento, se logra utilizando la metodología establecida en la norma internacional IEC-60071-2. Sin embargo, la aplicación del método requiere una serie de parámetros a considerar como son: conocimiento del sistema en cuanto a las Sobretensiones que pueden generar Ubicación de la instalación referente a la altitud Actividad atmosférica en la zona Indices de comportamiento permitido, es decir, índice de falla del equipo e índice de salida de las líneas que estarán conectadas a la subestación • • • • •
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO •
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Determinar el criterio de comportamiento de las lineas que llegan a la S/ E y del equipo a instalar. Características de los pararrayos (protección) en base a los cuales se selecciona el nivel de aislamiento. Cálculo de coordinación de aislamiento.
TENSIONES A SER CONSIDERADAS EN EL ESTUDIO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO SOBRETENSIONES REPRESENTATIVAS INTERNAS DEL SISTEMA.
Básicamente son dos las sobretensiones que están relacionadas a la configuración del sistema en el momento del transitorio y a la operación misma,
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estas son: Sobretensiones Temporales y Sobretensiones de Frente Lento. Las primeras, en general y para nuestro caso, serán las generadas por fallas monofásicas a tierra y las segundas por maniobras de interruptores. TENSIONES DE AGUANTE DE COORDINACIÓN.
Como su nombre lo indica, en esta etapa del proceso se considera la relación (“coordinación”) entre los eventos transitorios del sistema (sobretensiones representativas), los elementos de protección (apartarrayos) y el comportamiento deseado del equipo en términos de falla (índices). Todo eso combinado, deberá resultar en una tensión que debe aguantar el equipo cuando se encuentre en operación. 4.3 TENSIONES DE AGUANTE REQUERIDAS.
Aún cuando ya se han determinado las tensiones de aguante, existen algunas otras influencias y parámetros a considerar, adicionalmente a lo establecido en el punto anterior, las cuales se relacionan a la seguridad y al sitio en donde se instalará el equipo (S/E). Los factores son: Factor de Seguridad Sitio de instalación (condiciones atmosféricas). • •
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