Análisis de las fallas de los transformadores de

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2005

Análisis de las fallas de los transformadores de distribución y Análisis de las fallas de los transformadores de distribución y

aparatos electrodomésticos por sobretensiones ocasionadas por aparatos electrodomésticos por sobretensiones ocasionadas por

descargas atmosféricas en la zona rural del municipio de Barbosa descargas atmosféricas en la zona rural del municipio de Barbosa

(Santander) (Santander)

Nelson Javier Díaz Estupiñán Universidad de La Salle, Bogotá

Alberth Alexander Mora Scarpetta Universidad de La Salle, Bogotá

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Citación recomendada Citación recomendada Díaz Estupiñán, N. J., & Mora Scarpetta, A. A. (2005). Análisis de las fallas de los transformadores de distribución y aparatos electrodomésticos por sobretensiones ocasionadas por descargas atmosféricas en la zona rural del municipio de Barbosa (Santander). Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/300

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UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

ALBERTH ALEXANDER MORA SCARPETTA NELSON JAVIER DIAZ ESTUPIÑAN 1

ANÁLISIS DE LAS FALLAS DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN Y APARATOS ELECTRODOMÉSTICOS POR SOBRETENSIONES

OCASIONADAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA ZONA RURAL DEL MUNICIPIO DE BARBOSA (SANTANDER)

NELSON JAVIER DÍAZ ESTUPIÑÁN. CÓDIGO: 42991018 ALBERTH ALEXANDER MORA SCARPETTA. CÓDIGO: 42991034

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTA, D.C. 2005




OCASIONADAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA ZONA RURAL DEL MUNICIPIO DE BARBOSA (SANTANDER)

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al titulo de Ingenieros Electricistas

Director: Sergio Guzmán

Ingeniero Electricista

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTA, D.C.

2005



Nota de aceptación:

__________________________ __________________________ __________________________ __________________________ __________________________ __________________________

_____________________________ Firma del Presidente del Jurado

_______________________________

Firma del Jurado

______________________________ Firma del Jurado

Bogotá, D.C. 15 de marzo 2005



A DIOS, mis padres, abuela y tíos, que siempre han estado brindándome su apoyo incondicional durante mi permanencia académica. Alberth



Principalmente a DIOS, a mis hermanos y a mis padres que en paz descansen, quienes fueron un gran ejemplo de superación y el orgullo más grande de mi vida. Nelson



AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a: Sergio Guzmán, Ingeniero Electricista, Universidad de los Andes y director del trabajo. A la memoria de Álvaro Venegas, Ingeniero Electricista, Universidad de los Andes, quien fue una persona muy importante para la ejecución de este proyecto de grado. Rafael Chaparro, Ingeniero Electricista, Universidad Industrial de Santander y profesor del departamento de la facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de la Salle. Rubén Darío Garzón, Jefe de zona, seccional Barbosa, Electrificadora de Santander S.A. (ESSA). Electrificadora de Santander S.A. (ESSA). Universidad de La Salle Todas aquellas personas que en una u otra forma colaboraron en la realización del presente trabajo.



TABLA DE CONTENIDO

pág.

RESUMEN.............................................................................................................18 INTRODUCCIÓN...................................................................................................19 1. EL RAYO ..........................................................................................................20 1.1 HISTORIA .................................................................................................................... 20 1.2 FENÓMENO DE DESCARGA.................................................................................... 21 1.3 EL TRUENO................................................................................................................. 29 1.4 PROPIEDADES DEL RAYO ...................................................................................... 30 1.4.1 Forma de Onda........................................................................................................... 30 1.4.2 Polaridad e Intensidad de Campo............................................................................... 30 1.4.3 Corriente...................................................................................................................... 31 1.4.4 Voltajes Causados por la Descarga ............................................................................. 31 1.4.5 Atenuación de los Sobrevoltajes.. ............................................................................... 31 1.5 PARÁMETROS DEL RAYO....................................................................................... 32



1.5.1 Antecedente. .............................................................................................................. 32 1.5.2 Aplicaciones de los parámetros en la ingeniería ........................................................ 33 1.6 INTENSIDAD DE LOS RAYOS ................................................................................. 37 2. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN...................................................39 2.1 PROTECCIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN................... 40 2.1.1 FUSIBLES ................................................................................................................. 40 2.1.2 DESCARGADOR DE SOBRETENSIÓN ................................................................ 43 2.1.2.1 Principio de funcionamiento .................................................................................... 44 2.1.3 PUESTA A TIERRA ................................................................................................. 49 3. LAZOS INDUCTIVOS......................................................................................53 3.1 DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA ................................................................................. 54 3.2 EL FENÓMENO ELECTROMAGNÉTICO................................................................ 55

4. METODOLOGÍA APLICADA PARA LA DISCRIMINACIÓN DE LAS POSIBLES FALLAS..............................................................................................60 4.1 ANÁLISIS DEL DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA............................................ 61



4.2 ANÁLISIS DEL LAZO INDUCTIVO......................................................................... 64 4.3 ANÁLISIS DE LOS DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN............................. 66 4.3.1 Selección del Descargador de Sobretensión.. ............................................................. 67 4.3.1.1 Análisis comparativo................................................................................................ 74 4.3.1.2 Efectos de las sobretensiones en los aparatos electrodomésticos. ........................... 76

5. CONCLUSIONES .............................................................................................80 6. RECOMENDACIONES.....................................................................................82 BIBLIOGRAFÍA.....................................................................................................83



LISTA DE FIGURAS

pág.

FIGURA 1. PROCESO DE FORMACIÓN DE UN RAYO ......................................22 FIGURA 2. CONCENTRACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO EN LA REGIÓN ρ....24 FIGURA 3. AVANCE DE LOS PENACHOS AL CABO DE 50 sµ Y FORMA CÓNICA DEL PROCESO ...................................................................24 FIGURA 4. LEY DEL EMBUDO PARA EL INICIO DE LA DESCARGA. ...............24 FIGURA 5. EXPANSIÓN DEL EMBUDO Y NEUTRALIZACIÓN DE LA CARGA p................................................................................................................................25 FIGURA 6. PENACHO PILOTO E INICIO DEL LÍDER ESCALONADO................25 FIGURA 7. LÍDER ESCALONADO........................................................................25 FIGURA 8. PROCESO DE ENLACE .....................................................................27 FIGURA 9. DESCARGA DE RETORNO ...............................................................27 FIGURA 10. LÍDER DARDO..................................................................................28 FIGURA 11. FORMA DE ONDA DE CORRIENTE NORMALIZADA 1.2x50 sµ ....30 FIGURA 12. MAPA COLOMBIANO DE NIVELES CERÁUNEOS .........................36 FIGURA 13. MAPA DE NIVEL CERÁUNEO DE BARBOSA (SANTANDER)........37 FIGURA 14. LAZO INDUCTIVO EN LA INSTALACIÓN DE TRANSFORMADORES ....................................................................53 FIGURA 15. ESQUEMA FÍSICO DEL LAZO INDUCTIVO ....................................55 FIGURA 16. ESQUEMA DE MEDICIÓN ...............................................................62



FIGURA 17. ESQUEMA DE DETERMINACIÓN DEL LAZO INDUCTIVO ............64 FIGURA 18. RELACIÓN PARA VALORES CONSTANTES DEL FACTOR DE FALLA A TIERRA Ke .......................................................................71 FIGURA 19. COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN Y LA CORRIENTE DEL DESCARGADOR DE SOBRETENSIÓN...........................................76



LISTA DE TABLAS

pág TABLA 1. ELECCIÓN DE FUSIBLES PARA TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN. ...................................................................................43 TABLA 2. VALORES TÍPICOS DE KT PARA UNOS TIEMPOS DADOS .............48 TABLA 3. VALORES TÍPICOS DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO POR SU CONFORMACIÓN ..........................................................................51 TABLA 4. VALORES MEDIDOS DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA......62 TABLA 5. VALORES DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA PARA LOS DIFERENTES USOS ...........................................................................63 TABLA 6. CUADRO COMPARATIVO DE LA SELECCIÓN DEL DESCARGADOR..................................................................................74 TABLA 7. ANALOGÍA ENTRE CIRCUITOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS.....78



LISTA DE ANEXOS

pág

ANEXO A. ENCUESTA REALIZADA A LOS USUARIOS ....................................86 ANEXO B. FOTOGRAFÍAS DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN.............................................................................................................................102 ANEXO C. INFORME VISUAL DEL SOFTWARE SPARD POWER ...................110



GLOSARIO

ACOMETIDA: Derivación de la red local del servicio respectivo, que llega hasta el registro de corte del inmueble.

BIL: Nivel básico de aislamiento ante impulsos tipo rayo. CARGA: La potencia eléctrica requerida para el funcionamiento de uno o varios equipos eléctricos o la potencia que transporta un circuito. CORRIENTE: es le movimiento de cargas eléctricas entre dos puntos que no se hallan al mismo potencial, por tener uno de ellos un exceso de electrones con respecto al otro. Es un transporte de energía. CORTOCIRCUITO: Fenómeno eléctrico ocasionado por una unión accidental o intencional de muy baja resistencia entre dos o más puntos de diferente potencial de un mismo circuito. DESCARGADOR DE SOBRETENSIONES: dispositivo para protección de equipos eléctricos, el cual limita el nivel de la sobretensión, mediante la absorción de la mayor parte de energía transitoria, minimizando la transmitida a los equipos y reflejando la otra parte hacia la red. No es correcto llamarlo pararrayos. DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA: transferencia de energía eléctrica a los consumidores, dentro de un área específica. ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA: conductor o conjunto de conductores enterrados que sirven para establecer una conexión con el suelo, inalterables a la humedad y a la y a la acción química del terreno. FALLA: Degradación de componentes. Alteración intencional o fortuita de la capacidad de un sistema, componente o persona, para cumplir una función requerida. FASE: Designación de un conductor, un grupo de conductores, un terminal, un devanado o cualquier otro elemento de un sistema polifásico que va a ser energizado durante el servicio normal. FRECUENCIA: Número de periodos por segundos de una onda. Se mide en hertz o ciclos por segundo.



FUSIBLE: Aparato cuya función es abrir, por la fusión de uno o varios de sus componentes, el circuito en el cual está insertado. MANTENIMIENTO: conjunto de acciones o procedimientos tendientes a preservar o restablecer un bien, a un estado tal que le permita garantizar la máxima confiabilidad. MÉTODO: modo de decir o hacer con orden una cosa. Procedimiento o técnica para realizar un análisis, un estudio o una actividad. MÉTODO ELECTROGEOMÉTRICO: procedimiento que permite establecer cual es el volumen de cubrimiento de protección contra rayos de una estructura para una corriente dada, según la posición y la altura de la estructura considerada como pararrayos. NOMINAL: Término aplicado a una característica de operación, indica los límites de diseño de esa característica para los cuales presenta las mejores condiciones de operación. Los límites siempre están asociados a una norma técnica. NORMA: Documento aprobado por una institución reconocida, que prevé, para un uso común y repetido, reglas, directrices o características para los productos o los procesos y métodos de producción conexos, servicios o procesos, cuya observancia no es obligatoria. POTENCIA: es la rapidez con respecto al tiempo de la energía de transferencia o transformación. PUESTA A TIERRA: grupo de elementos conductores equipotenciales, en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que distribuye las corrientes eléctricas de falla en el suelo o en la masa. Comprende electrodos, conexiones y cables enterrados. TENSIÓN: voltaje con el que se realiza una transmisión de energía eléctrica. TRANSFORMADOR: maquinas utilizadas para elevar o reducir tensiones o corrientes eléctricas o algunas características de las corrientes alternas. Deben ser refrigeradas por aire, resinas y/o aceite. Su vida útil es superior a veinte (20) años pero su obsolencia se marca con los cambios tecnológicos constantes, los cuales se traducen generalmente en disminución de perdidas, las cuales deben ser permanentemente analizadas para determinar si el transformador se debe cambiar por uno de menores pérdidas. Los transformadores más comunes usados en Colombia son de tipo sumergidos en aceite y de tipo seco.



RAYO: La descarga eléctrica atmosférica o más común mente conocida como rayo, es un fenómeno físico que se caracteriza por una transferencia de carga eléctrica de una nube hacia la tierra, de la tierra hacia la nube, entre dos nubes, al interior de una nube o de la nube hacia la ionosfera. RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA: Es la relación entre el potencial del sistema de puesta a tierra a medir, respecto a una tierra remota y la corriente que fluye entre estos puntos. SOBRETENSIÓN: Tensión anormal existente entre dos puntos de una tensión instalación eléctrica, superior a la tensión máxima de operación. USUARIO: persona natural o jurídica que se beneficia con la prestación de un servicio público, bien como propietario del inmueble en donde este se presta, o como receptor directo del servicio. A éste último usuario se le denomina también consumidor. VIDA ÚTIL: Tiempo durante el cual un bien cumple la función para la que fue concebido.



SIGLAS – ACRÓNIMOS

IEEE: Institute of electrical and Electronic Engineers. ICONTEC: Instituto Colombiano de Normas Técnicas NEMA: National Electric Manufactures Association. ESSA: Electrificadora de Santander S.A. RETIE: Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas ANSI: American national Standards Institute IEC: International Electrotechnical commission L.I: Lazo inductivo



UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROYECTO DE GRADO


OCASIONADO POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA ZONA RURAL DEL MUNICIPIO DE BARBOSA (SANTANDER)

AUTORES: Nelson Javier Díaz Estupiñán y Alberth Alexander Mora Scarpetta DIRECTOR: Ing. Sergio Guzmán.

RESUMEN

El objetivo de este proyecto de grado es adelantar un análisis de las fallas de los transformadores de distribución y aparatos electrodomésticos por sobretensiones ocasionado por descargas atmosféricas en la zona rural del municipio de Barbosa (Santander), por medio de un estudio técnico donde se investiga y se realiza mediciones de resistencias de puesta a tierra y demás variables eléctricas de los equipos considerados para el estudio. Además, se analiza la selección del descargador de sobretensión adecuado para el sistema. Con los resultados obtenidos de las diferentes investigaciones, se realiza una evaluación de discriminación de las fallas presentes en el sistema. A la vez se plantea un conjunto de recomendaciones para el mejoramiento del sistema, como la continuidad del servicio al usuario y sobretodo que se le brinde un sistema seguro y confiable.



INTRODUCCIÓN

En los últimos años se han realizado algunos estudios en el país tendientes a explicar y solucionar problemas relacionados con la falla de transformadores de distribución por descargas atmosféricas, quedando aun sin explicar y solucionar muchos fenómenos transitorios presentes durante la operación del descargador de sobretensión. Una de las consecuencias debido a las descargas atmosféricas es el daño fulminante de los aparatos electrodomésticos que se encuentren conectados al sistema de baja tensión y a los usuarios que se encuentren cerca de éstos. Tratando de evitar estas situaciones, se establecen exigencias y especificaciones técnicas para garantizar el bienestar de las personas con base en la fiabilidad, calidad y el buen uso de las instalaciones eléctricas y de los productos. Para ello se ha establecido el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE), que tiene como objeto fundamental establecer medidas que garanticen la seguridad de las personas, la vida animal, vegetal y la preservación del medio ambiente, por lo cual, el RETIE se hace de obligatorio cumplimiento. Con este trabajo de grado se pretende dar una respuesta a un problema especifico, como el que encontramos en el sector rural del municipio de Barbosa (Santander); el cual evidencia que los grandes afectados son los usuarios, quienes tienen perdidas materiales por la quema de sus electrodomésticos y perdidas continuas del servicio de energía por motivo de tormentas eléctricas.



1. EL RAYO 1.1 HISTORIA Hacia la mitad del siglo XVIII Benjamín Franklin demostró por primara vez la naturaleza eléctrica del rayo. Elevando una cometa en una tormenta comprobó experimentalmente el paradigma de la electricidad como fluido, conduciendo una descarga eléctrica hacia un condensador (botella de Leyden)1, demostró que había almacenado algo que presentaba el mismo comportamiento que las cargas eléctricas (que se generaban en esa época por fricción). Más tarde el mismo Benjamín Franklin inventaría el pararrayos, para defender las edificaciones y las personas de los efectos del rayo. En 1920 Wilson, realizó mediciones de campo eléctrico a cierta distancia de la nube, llegó a la conclusión de que la estructura básica de ésta era la de un dipolo positivo.2 Trascurrieron más de 60 años para que investigadores como Malan y Schonland (1947) y Kasemir (1965) estableciera que la estructura básica de las nubes de tormenta no son bipolar como anunciaba Wilson sino tripolar: hay una región de carga negativa en el centro, con una región de carga positiva tanto en la parte superior como en la parte inferior de ésta. Cuando a principios del siglo XX, aparecieron las primeras líneas de transmisión, donde el rayo causaba problemas que presentaban grandes perjuicios al transporte de la energía eléctrica; desde entonces comienzan proyectos de investigación de gran magnitud.

1 El condensador más simple. Descubierto en 1745 por el físico holandés Pieter van Musschenbroek de la universidad de Leyden. 2 Carga positiva en la parte superior y carga negativa en la parte inferior



1.2 FENÓMENO DE DESCARGA Varias teorías han tratado de explicar el proceso de formación del rayo, por acumulación de carga eléctrica en las nubes. Los investigadores en general han concluido que la acumulación de cargas en las nubes tienen lugar de presencia de aire ionizado, humedad en la atmósfera y corrientes de aire ascendentes (Simpson y Workman`s referentes a las teorías de descarga de rayos). Fundamentalmente las teorías mencionadas justifican la aparición, en la parte inferior de las nubes de tormenta, de centros importantes de concentración de cargas imponiendo las características del campo eléctrico nube – tierra y produciendo en consecuencia la correspondiente concentración de cargas de signo contrario en la superficie de la tierra. A medida que se intensifica esta separación de cargas aumenta la diferencia de potencial entre la superficie de la tierra y el centro cargado de la nube. El gradiente medido en la proximidad de la tierra (considerada superficie normal de terreno en zona habitable) rara vez supera el valor de 100 V/cm3. La mayoría de los rayos nube – tierra se inician por el fuerte campo eléctrico que existe en la carga positiva p situado debajo de la nube y la carga negativa N de la base de la nube. Una vez que la nube de tormenta se ha cargado hasta el punto en que el campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica local de la atmósfera, es decir, (la capacidad de la atmósfera de mantener una separación de cargas eléctricas), el resultado es la iniciación de una descarga eléctrica atmosférica o rayo4. En ese instante, el campo eléctrico es del orden de un millón de voltios por metro; en menos de un segundo, el rayo transportará la carga correspondiente a 1020 electrones y proporcionará una potencia eléctrica equivalente a 100 millones de bombillas de alumbrado residencial. Durante esa fracción de segundo, la energía electrostática de la carga acumulada electromagnética, energía acústica y finalmente, calor. 3 Dossier Centrales y Subestaciones. Ing. Álvaro Venegas 4 Torres H. El Rayo Mitos, Leyendas, Ciencia y Tecnología



No se conoce exactamente el proceso físico mediante el cual la carga almacenada en la nube de tormenta se transfiere a la tierra en forma de rayo. Existen varias teorías que tratan de explicar con algún detalle las diferentes etapas de una descarga, pero hasta ahora no existe una teoría única y comprobada con la que estén de acuerdo todos los investigadores. FIGURA 1. PROCESO DE FORMACIÓN DE UN RAYO

FUENTE: Uman. Lightning Discharge, 1987 A pesar de las diferencias teóricas y experimentales, la mayoría está de acuerdo en que una descarga eléctrica atmosférica se compone de las siguientes cinco etapas5:

a. Encendido de la descarga

b. Líder escalonado

5 Torres H. El Rayo Mitos, Leyendas, Ciencia y Tecnología



c. Proceso de enlace

d. Descarga de retorno

e. Líder dardo Estas cinco etapas se describen a continuación, tratando de dar una idea lo mas clara posible sobre el fenómeno. a. ENCENDIDO DE LAS DESCARGAS Loeb en 1968, consideró según la figura 2, que las pequeñas gotas de lluvia que forman la carga positiva p están ubicadas en una región de algunos cientos de metros cuadrados de sección transversal, en cuya parte superior, debido a la presencia de cargas negativas N, se produce un campo eléctrico de inicio de la descarga cm

kVEi 107 −= en una región de 10 metros de radio.

Esta intensidad de campo eléctrico produce que las gotas de esta región se alarguen en la dirección del campo dando inicio a una formas penachos, en las puntas de las mismas y dirigidos hacia la base negativa de la nube. La velocidad de crecimiento de estos penachos esta entre 810 cm/seg, al inicio y 6105x cm/seg, en la región de mas bajo campo. Loeb asume un valor de 7102x cm/seg, que corresponde a campos más uniformes. La mayoría de la carga del penacho está dirigida hacia arriba, dentro de un cono que forma un ángulo de 37º con el eje del campo. Al cabo de un tiempo de 50 sµ , el penacho habrá penetrado aproximadamente 10 metros en la región N de la nube según la figura 3. En la región inicial de la descarga (figura 4) la contradicción del flujo descendente será la más lenta que la expansión del flujo ascendente, fenómeno que se denomina “ley del embudo” para las descargas. A medida que crece el embudo, el flujo ascendente neutraliza un volumen de carga negativo y, aunque este canal no tiene mucha conductividad, conduce carga



negativa a áreas significativamente más pequeñas con una considerable intensificación del campo en las regiones más bajas. Al cabo de unos 150 sµ o más (figura 5), el embudo habrá penetrado 40 metros en la nube, con un área de expansión en la base del cono de unos 30 metros de radio, y habrá descendido otros 40 metros desde su punto de inicio con una contradicción adicional en su base. Al final del proceso habrá una recombinación de cargas en la base de la nube, un canal de cargas negativas y aire libre de cargas. En este momento comienza a desarrollarse el líder escalonado (figura 6).

FIGURA 2. CONCENTRACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO EN LA REGIÓN ρ

FIGURA 3. AVANCE DE LOS PENACHOS AL CABO DE 50 sµ Y FORMA CÓNICA DEL PROCESO

FIGURA 4. LEY DEL EMBUDO PARA EL INICIO DE LA DESCARGA.



FIGURA 5. EXPANSIÓN DEL EMBUDO Y NEUTRALIZACIÓN DE LA CARGA P.

FIGURA 6. PENACHO PILOTO E INICIO DEL LÍDER ESCALONADO

b. LÍDER ESCALONADO El líder escalonado inicia la primera descarga de retorno al propagarse el rayo de nube a tierra en una serie de pasos discretos. El líder escalonado es iniciado por el encendido de la descarga dentro de la nube. En la figura 7, el encendido de la descarga se muestra en la parte baja de la nube entre la región N y p. FIGURA 7. LÍDER ESCALONADO

La corriente promedio del líder está en el rango de 100 a 1000 amperios. Los pasos tienen pulsos de corriente de al menos 1 kiloamperio. Asociado con esta corriente hay pulsos de campos eléctricos y magnéticos con anchos de cerca de 1

sµ o menos y tiempos de ascenso de 0.1 sµ o menos. Al final del proceso del encendido de la descarga se tiene una columna de cargas negativas con un gradiente de potencial que excede en por lo menos un 10% el umbral de disrupción para esas condiciones atmosféricas, propiciando así la ionización. Aunque existen diferentes teorías que tratan de explicar el mecanismo de ionización del espacio entre la nube y la tierra, la mayoría de los autores concuerdan en que existe un penacho en la punta de la columna negativa, llamado líder, dándole una característica escalonada al avance del líder. Aunque solo se ha mencionado los líderes descendentes negativos, también se presentan líderes escalonados ascendentes, de polaridad positiva o negativa, siendo los primeros lo de mayor ocurrencia. El líder escalonado se caracteriza, según Uman, por que:



• La velocidad promedio mínima para líderes negativos descendentes es aproximadamente de 5101x m/s.

• El intervalo de tiempo entre cada paso es relativamente constante, y tiempos de pausa mas prolongados producen pasos de mayor longitud.

• La longitud de los paso para lideres esta entre 10 y 200 metros con un valor de promedio de 50 metros. Esta longitud varía de acuerdo con el grado de evolución del líder escalonado.

• El tiempo de pausa entre pasos es del orden de 50 sµ . Durante este tiempo el canal del líder escalonado no es suficientemente luminoso para ser registrado mediante técnicas fotográficas como la cámara de Boys.

• El tiempo promedio de avance de un paso es de alrededor de 300 sµ , pero su luminosidad apenas dura 1 sµ o menos.

• Durante el descenso se produce un cambio de campo electrostático relativamente suave, lo que indica que el mecanismo de escalonamiento no baja, por sí mismo, una cantidad apreciable de carga.

• Cuando un líder escalonado típico se acerca a tierra tiene una carga de alrededor de 5 culombios distribuida en su longitud.

• Para líderes escalonados ascendentes las corrientes están entre 20 y

cientos de amperios.

• Los líderes positivos son de naturaleza más continua que los cargados negativamente, los cuales son marcadamente escalonados.

c. PROCESO DE ENLACE La diferencia de potencial eléctrico entre la base del líder cargado negativamente y la tierra, tiene una magnitud superior a 710 voltios. Cuando el líder esta cerca de tierra, el campo eléctrico en objetos puntiagudos (pararrayos, árboles, torres de



transmisión, antenas, aristas de edificios, etc.) o en irregularidades propias de la misma tierra supera el valor de tensión disruptiva del aire y se presenta una o más descargas (rayos) que ascienden desde estos objetos al encuentro del líder descendente. Se inicia así el llamado proceso de enlace, figura 8. FIGURA 8. PROCESO DE ENLACE

d. DESCARGA DE RETORNO La descarga de retorno fue definida por Loeb como una onda de campo eléctrico que asciende por el canal del líder escalonado, alcanzando, en la mayoría de los casos a penetrar en la base de la nube. Esta onda ionizante “baja” de la nube de 2 a 10 culombios de carga eléctrica con corrientes de hasta 510 amperios y en la fase más energética del rayo, (figura 9). FIGURA 9. DESCARGA DE RETORNO



Cuando a unas decenas de metros sobre la tierra, unas de las descargas ascendentes de la tierra hace contacto con el líder escalonado que desciende, el líder queda al potencial de tierra, y se presenta lo que se conoce como la primera descarga de retorno, quedando el camino nube – tierra totalmente ionizada. La primera descarga de retorno produce una corriente pico cerca a tierra de un valor típico de mas de 30 kiloamperios, dependiendo de la longitud en donde impacte el rayo, con un tiempo de cero a pico de unos pocos microsegundos. e. LÍDER DARDO Después de que la descarga de retorno alcanza la base de la nube y se expande lateralmente, esta alcanza el límite de la región de descarga de la nube. Aumentando el campo eléctrico y produciendo así un nuevo drenaje de carga mediante penachos que penetran alrededor de 300 metros de nube, todavía cargada. Este periodo esta caracterizado por una intensa descarga corona de las gotas de agua, debido a la propagación de la onda ionizante dentro de la nube. Esta corona drena la carga de una gran área a una más pequeña dejada por el líder escalonado y su descarga de retorno, emergiendo de la base de la nube como un canal luminoso llamado líder dardo. La velocidad de estos lideres esta entre 8104x cm/s y 9109.1 x cm/s, dependiendo del tiempo que ha permanecido el canal dejado por la descarga de retorno. Los lideres dardo usualmente se propagan en forma continua, sin escalonamientos, desde la nube hasta la tierra, siguiendo el canal preionizado. Sin embargo, cuando el intervalo de tiempo desde la descarga de retorno es excepcionalmente largo, el líder dardo presenta tortuosidades a medida que se aproxima a tierra (figura 10). FIGURA 10. LÍDER DARDO



1.3 EL TRUENO El trueno es la señal acústica generada por un canal de aire caliente que se expande rápidamente. El aire en el canal de la descarga se calienta y se expande en forma de una onda de choque. Posteriormente, esta onda se vuelve energía acústica produciéndose el trueno. Cada componente del rayo: el líder escalonado, los líderes rápidos, las descargas de retorno, contribuyen al trueno6. Los componentes más energéticos producen las frecuencias más bajas del sonido. Estas frecuencias bajas se atenúan menos que las altas, ya que la atenuación es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Por ello, un rayo no muy energético puede no oírse ya a 10 km. El sonido del pulso de una pequeña sección de la señal del rayo viaja una velocidad cercana de 340 m/s a condiciones del nivel del mar. El trueno que nosotros oímos es, entonces, variaciones de presión inducidas en el aire por la expansión de cada parte del canal del rayo, debido a su alta presión inicial. Como el sonido en el aire viaja a 340 m/s, y la descarga de retorno caliente y el canal del rayo es menos de una milésima de segundo, para todos los propósitos prácticos cada punto del canal del rayo puede ser considerado como un emisor de un pulso de sonido (u onda de choque) al mismo tiempo. Puesto que la luz emitida por el canal de la descarga de retorno viaja a 300.000.000 metros por segundo, el ojo humano ve la luz simultáneamente con la formación del canal, pero el sonido del trueno toma varios segundos para llegar a nuestros oídos. Por ello es posible estimar en metros la distancia a que impactó un rayo, multiplicando por 340 el tiempo, en segundos, que transcurre entre el relámpago que vemos y el trueno que oímos7.

6 Electroporcelana Gamma S.A. Características de las descargas atmosféricas y su efecto sobre las líneas de transmisión y distribución. 7 Torres H. Espacio y Tiempo en los parámetros del rayo. 1998



1.4 PROPIEDADES DEL RAYO 1.4.1 Forma de Onda. Una onda única y representativa de la mayoría de las descargas de corriente por rayos no puede ser obtenida. Sin embargo puede decirse que las ondas de corriente generalmente alcanzan su valor pico en un rango de 1 a 10 sµ y la espalda tiene una duración de 20 a 10 sµ . Algunas mediciones señalan que la forma de onda esta asociada con la magnitud de la corriente. Así por ejemplo, para una descarga de 200.000 A la onda tendrá un valor más frecuente de 4 a 6 sµ que de 1 a 2 sµ en corrientes inferiores. Para reproducir las ondas en el laboratorio, y a fin de normalizar las pruebas de aislamiento frente a este tipo de sobretensiones, se ha definido y aceptado una onda típica de 1.2x50 sµ (figura 11). FIGURA 11. FORMA DE ONDA DE CORRIENTE NORMALIZADA 1.2X50 sµ

CORRIENTE

TIEMPO

50%

1.2 s 50 s

1.4.2 Polaridad e Intensidad de Campo. El 90 % de las descargas a tierra tienen polaridad negativa8.

8 Dossier Centrales y Subestaciones. Ing. Álvaro Venegas



Por definición una descarga de polaridad negativa desplaza cargas negativas a tierra. De tal manera que la descarga se presenta desde las cargas negativas en la parte inferior y central de la nube hasta las cargas positivas en la tierra. 1.4.3 Corriente. La magnitud de la corriente es la característica más importante del rayo y la que principalmente interviene en su relación con los sistemas de potencia. La magnitud de corriente del rayo es independiente del valor de la impedancia terminal que encuentra el rayo, debido a que la impedancia del canal de descarga es relativamente alta del orden de miles de ohmios. En consecuencia la impedancia para la totalidad del trayecto del rayo se conserva invariable sin ser alterada por la impedancia terminal. 1.4.4 Voltajes Causados por la Descarga. El voltaje originado por una descarga atmosférica no es fácil de medir, se ha estimado que la diferencia de potencial en el caso de tormenta entre nube y tierra es del orden de 5 a 50 MV9. Los voltajes que pueden aparecer sobre una estructura donde cae un rayo, son independientes del nivel de voltaje de la instalación. Depende básicamente de la impedancia que encuentra la onda de corriente del rayo. 1.4.5 Atenuación de los Sobrevoltajes. Al caer un rayo sobre un conductor la onda a lo largo de su recorrido se atenuará dependiendo de la distancia al punto de origen. La atenuación es más rápida mientras la onda tenga frente más escarpado comparado con ondas de baja pendiente en su frente. Por ejemplo, una onda de 2000 kV se atenuara a la mitad de su valor en aproximadamente 5 km, mientras que para una onda de 1000 kV necesitará 10 km para atenuarse a 500kV. La atenuación y distorsión de la onda es originada por perdidas de energía y por el efecto corona. Para frentes de onda escarpadas el efecto skin produce atenuación. Pero quien más atribuye a la atenuación es el efecto corona.

9 Dossier Líneas de Transmisión. Ing. Rafael Chaparro



1.5 PARÁMETROS DEL RAYO 1.5.1 Antecedente. En Colombia, los rayos causaron el 47% (1996) y el 69% (1997) de las salidas de las líneas de transmisión de 230 kV y 500 kV, de acuerdo con la correlación hecha entre el Centro Nacional de Despacho de Interconexión Eléctrica S.A. ESP – ISA y los datos del sistema de Información de Descargas, de propiedad de ISA. Para los sistemas de transmisión de energía eléctrica, las interrupciones del servicio traen consecuencias directas como baja confiabilidad y calidad del servicio, y costos de millones de dólares por quema de equipos y no venta de energía. Así mismo los equipos y sistemas basados en microelectrónica (televisores, teléfonos, equipos de comunicación, etc.) son fuertemente afectados por las interferencias electromagnéticas, originadas por la incidencia de variaciones de campos electromagnéticos generados por rayos. Ha sido practica usual de la Ingeniería Eléctrica, a nivel de diseño de protecciones y apantallamiento contra descargas eléctricas atmosféricas, utilizar parámetros como el nivel ceráuneo, la densidad de los rayos a tierra o la corriente de retorno del rayo, mediante valores deterministicos o semiprobables. Para estos diseños en Colombia, nuestros resultados le permiten al Ingeniero utilizar valores de curvas de probabilidad acumulada, propios de nuestro entorno tropical, que tienen en cuenta la aleatoriedad del fenómeno y su variación local. En el diseño de protección de sistemas de distribución de energía eléctrica con descargadores de sobretensión, por ejemplo, la práctica de ingeniería considera valores de normas internacionales o normas técnicas colombianas que no reflejan la realidad del entorno electromagnético tropical colombiano en cuanto a magnitud de parámetros del rayo y su variación en el espacio y en el tiempo. En la Norma Técnica Colombiana 4552 de protección contra descargas eléctricas atmosféricas de 1999, elaborada en conjunto con el Instituto Colombiano de Normas Técnicas, ICONTEC, específica que Colombia esta situada en una zona de influencia intertropical, por ende presenta una de las más altas actividades eléctricas atmosféricas del mundo, con una cifra de rayos por año superior al millón. Si bien, los métodos de la protección contra rayos desarrollados por investigadores a nivel mundial aplican en Colombia, los parámetros estimados en otras latitudes, no necesariamente son aplicables a nuestro país.



La operación y el mantenimiento de sistemas y equipo eléctrico en Colombia en muy pocas ocasiones tienen en cuenta la variación diaria, mensual o multianual de la actividad eléctrica atmosférica, presentándose altos riesgos de accidentalidad por rayos. 1.5.2 Aplicaciones de los parámetros en la ingeniería. Más de 15 parámetros mensurables10 han sido establecidos por diversos investigadores que han estudiado la física del rayo. La escala de órdenes de magnitud especial va desde los fenómenos atómicos que inician la electrificación de la nube de tormenta en una magnitud de 1310− kilómetros, hasta el movimiento del aire de la nube de tormenta, que completa el proceso de carga, en una escala de decenas o centenas de kilómetros. Temporalmente los órdenes de magnitud van desde los

610− segundos que duran los pasos del líder escalonado, hasta la duración total de una tormenta en una escala de horas. El conocimiento de estos parámetros en sus diferentes escalas; tienen importancia tanto científica como tecnológica. El conocimiento científico nos facilita entender su comportamiento en el tiempo y en el espacio y sus relaciones con otros fenómenos naturales. En lo tecnológico su conocimiento permite el diseño óptimo y la protección adecuada de los seres vivos y equipos eléctricos y electrónicos, así como el oportuno mantenimiento para garantizar una operación confiable, económica y segura. El WG 33.01 “lightning” del comité CIGRE presento en 1979 la información actualizada sobre los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica, con énfasis particular en aquellos parámetros requeridos para aplicaciones en ingeniería11. a. PARÁMETROS DE INCIDENCIA En los cuales se tiene en cuenta la probabilidad de ocurrencia de las descargas a tierra, junto con la influencia de la altura de las estructuras y la incidencia de descargas múltiples. Estos parámetros son:

Densidad de descargas a tierra (Ground Flash Density, GFD) DDT: número de rayos por kilómetro cuadrado – año.

10 Que puede ser medido 11 F. de la Rosa, K. Cummins, L. Dellera, H. Torres, and M. A. Uman. “Characterization of lightning for aplications un Electric Powe Systems”.



Nivel ceráuneo, NC (Keraunic Level, TD): número de días tormentosos al

año. Este parámetro es utilizado cuando no hay disponibilidad de mediciones directas de densidad de descargas a tierra.

Polaridad del rayo, P (Flash Polarity): positiva o negativa.

Multiplicidad, M (Múltiple stroke flashes): número de descargas individuales (strokes) por cada descarga (flash).

Duración de la descarga eléctrica atmosférica.

Duración del intervalo de descargas individuales. b. PARÁMETRO DE AMPLITUD DE LA CORRIENTE DE RETORNO DEL RAYO CR, (Lightning Peak Current Amplitude), amplitud de la corriente pico, frecuentemente referenciada como el parámetro más importante para aplicaciones en ingeniería. c. PARÁMETROS DE LA FORMA DEL IMPULSO DE LA CORRIENTE DE RAYO (Stroke Current Impulse Shape), en los cuales se tiene en cuenta las características dependientes del tiempo, con énfasis en las características de la rata de ascenso de la corriente del rayo, RAI (Lightning Current Rate of Rise) velocidad de ascenso. De estos parámetros se tienen en Colombia, en el caso del nivel ceráuneo, más de 20 años de observaciones, y en los otros, mediciones hechas durante la última década. 1.4.2.1 Nivel ceráuneo, nc. El nivel ceráuneo esta definido como el número de días tormentosos al año.



El nivel ceráuneo es un parámetro que ha servido a nivel mundial, tanto para caracterizar la severidad tormentosa de una región, como en el diseño de protecciones contra descargas de sistemas de transmisión de energía eléctrica. En la figura 12 se presenta un mapa colombiano de niveles ceráuneos elaborado en 1990. Este mapa tiene en cuenta la distribución espacial del fenómeno de la descarga eléctrica atmosférica como promedio aritmético multianual entre 1974 y 1988. Para analizar el efecto de las montañas en la formación de las nubes es necesario considerar dos aspectos: las propiedades de la atmósfera que fluye hacia las montañas y las características de las perturbaciones de flujo creadas por las montañas; las propiedades de la atmósfera pueden ser representadas por perfiles de temperatura, humedad y vientos. El segundo aspecto involucra el nivel al cual el aire es elevado al llegar a las montañas, debido a una perturbación producida por las mismas. En Colombia, el estrechamiento de las cadenas montañosas y los vientos que se aproximan a ellas, marcan la principal influencia en la definición del mayor o menor nivel ceráuneo y, por tanto, de la mayor actividad eléctrica atmosférica. En la figura 13 se puede apreciar una ampliación de la zona de interés de la investigación Análisis de las fallas de los transformadores de distribución y aparatos electrodomésticos por sobretensiones ocasionadas por descargas atmosféricas en la zona rural del municipio de Barbosa (Santander), donde se presenta un fuerte gradiente con niveles que se encuentran entre 60 y 80 días tormentosos al año. Este nivel ceráuneo encontrado en el municipio de Barbosa se considera un valor relativamente alto teniendo en cuenta que el nivel más en el país es de 140 días tormentosos al año encontrados en el Choco y Antioquia. Para tener una idea más clara de los valores mencionados anteriormente, partamos de que un año cuenta con 360 días, de los cuales entre 60 y 80 días son tormentosos en la zona estudiada; lo cual muestra un valor considerable ya que representa el 22% del año.



FIGURA 12. MAPA COLOMBIANO DE NIVELES CERÁUNEOS

FUENTE: PAAS: PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN EN ADQUISICIÓN Y ANÁLISIS DE

SEÑALES



FIGURA 13. MAPA DE NIVEL CERÁUNEO DE BARBOSA (SANTANDER)

1.6 INTENSIDAD DE LOS RAYOS Estudios recopilados y referenciados en la norma ANSI / IEEE C62.41 reportan datos que indican la gran variedad de niveles de corriente de impactos nube – tierra en el rango de 10 kA a 40 kA. Solamente el 6% de las corrientes sobrepasaron los 60 kA, y menos del 2% de las corrientes estuvieron por encima de los 100 kA. Estas estadísticas involucran estudios hechos en todo Estados Unidos.



Estudios similares realizados por la Universidad Nacional de Colombia (PAAS)12 en los últimos 20 años con mediciones de Colombia, Brasil, Malasia y Rodesia, presentan una probabilidad de 50% de que las corrientes de rayo superan los 40 kA en zona tropical. En estos estudios, el 25% de las corrientes sobrepasó los 60 kA y menos del 5% estuvo por encima de los 100 kA.

12 H. Torres, “Variations of Lightning Parameter Magnitudes within Space and Time”, Proceedings, 24th, I CLP, Birmingham, UK, Aep. 1998



2. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN

El transformador de distribución es indudablemente el componente más importante de la instalación, sin este sería imposible distribuir la energía eléctrica a tan grandes distancias. El transformador de distribución disminuye la tensión de la línea primaria hasta el valor correspondiente a la red de distribución secundaria, ósea, de 2400 V ó 13800 V a 120 V ó 240 V. La mayoría de los transformadores de distribución se componen de:

Un núcleo magnético cerrado sobre el que se devanan 2 o más bobinas de cobre independientes.

Un tanque lleno de aceite refrigerante y aislante en el que se sumerge la bobina con su núcleo.

Los pasatapas, a través de los cuales se introducen o sacan los conductores.

Los transformadores de distribución están casi siempre ubicados al aire libre, donde se suspenden las crucetas, montadas directamente en los postes o colocadas en plataformas. En general, los transformadores hasta 75 kVA se montan directamente en el poste o en una cruceta y los transformadores más grandes se colocan en plataformas o se montan sobre postes en baterías o en racimo. La manera de montar un transformador es una cuestión de considerable importancia. El transformador debe permanecer en un sitio y continuar funcionando incluso en medio de vendavales, lluvias tormentosas, fríos glaciales, nevadas entre otros. Se considera como vida normal aquella que tendría la maquina funcionando en servicio continúo con su potencia nominal, con ciclos de carga normales y para condiciones normales de temperatura ambiente.



La vida de un transformador depende en alto grado de un conjunto de solicitaciones tales como sobretensiones, corto-circuitos en el sistema de sobrecargas de emergencia, que pueden ocurrir en forma separada o conjunta. La sobrecarga y/o el funcionamiento con temperaturas ambientales más altas que las normales, introducen un grado de riesgo y un envejecimiento acelerado. En la vida útil del transformador inciden algunos factores externos. La expectativa de vida normal de un transformador es una referencia convencional que se basa en considerar su funcionamiento en servicio continuo con su carga nominal, en un medio ambiente cuya temperatura es de 20 °C y con una sobre elevación de temperatura del punto caliente de 78 °C, sí éste valor de la temperatura es superado tendremos una reducción considerable en la vida útil del transformador. Un factor que puede disminuir el riesgo de las fallas de los transformadores, que pueden ser ocasionados por fenómenos tanto externos como internos, son un buen diseño e instalación del sistema de protecciones. Para así, extender la vida útil y un mejor funcionamiento del equipo.

2.1 PROTECCIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN Los transformadores de distribución tienen provista para su protección: cortacircuitos – fusibles y descargador de sobretensión. 2.1.1 FUSIBLES La protección contra sobrecorriente y cortocircuito para conductores y equipos, se logra, con un elemento que abre el circuito eléctrico, si la corriente genera una temperatura excesiva o peligrosa en los aislamientos. A éste elemento se le denomina fusible. Los fusibles tienen las funciones de aislar el equipo en caso que circule por ellos una corriente de falla o de sobrecarga y deben actuar en un tiempo determinado de acuerdo a la magnitud de esta corriente; es decir, a mayor corriente menor tiempo de respuesta. Normalmente los fusibles de todas las marcas son normalmente intercambiables, sin embargo sus características eléctricas no son necesariamente la misma. Sobre



el respecto el EEI “Edison Electric Insitute” y NEMA, han establecido estándares especificando corrientes nominales y características de operación. Las corrientes nominales ANSI para fusibles se dividen en 3 categorías13: 1. Capacidades preferibles: 6, 10, 15, 25, 40, 65, 100, 140 y 200 A. 2. Capacidad no preferibles: 8, 20, 30, 50 y 80 A. 3. Menores de 6 A: 1, 2, 3 y 5 A. Los fusibles de expulsión están cubiertos por la norma ANSI C37.43, la cual define las características para los siguientes tipos de fusible: 1. TIPO N: El estándar determinó que debe soportar el 100% de su capacidad nominal continuamente y fundirse a menos del 230% de su capacidad en cinco minutos. 2. TIPO K y T: Clasificados como: rápido (K) y lento (T). Para el tipo K de terminó una rapidez de fusión a 0.1 seg. Sobre la corriente mínima de fusión a 300 o 600 seg. Dependiendo de la capacidad nominal del fusible. Los parámetros principales para la selección de los fusibles son: voltaje nominal, corriente y capacidad de corto – circuito.

Voltaje nominal: El voltaje nominal del fusible es determinado por las siguientes características del sistema:

Voltaje máximo fase – fase o fase – tierra

Tipo de aterrizamiento

Número de fases (3 o 1)

13 Curso de Protecciones Eléctricas de Media y Alta Tensión. Julio 17 y 18 de 1997. ACIEM



Estas características determinan el voltaje visto por el fusible en el momento de interrumpir la corriente de falla. Tal voltaje debe ser menor o igual que el voltaje nominal del fusible. Por tanto se debe atender a las siguientes recomendaciones:

En sistemas Trifásicos Aterrizados: para cargas monofásicas, el voltaje nominal debe ser igual o mayor que el máximo voltaje línea a tierra.

Para cargas trifásicas se selecciona el voltaje nominal con base en el voltaje línea – línea. Sin embargo, dado que es muy poco probable que el fusible opere a un voltaje de línea –línea, se construyen fusibles con voltajes de 7.8/13.5 kV y 38 kV.

Selección de la corriente nominal: La corriente nominal debe ser igual o mayor que la máxima corriente permanente de carga que el fusible soportará.

Selección de la capacidad de corto circuito: la capacidad de corto simétrica interruptiva del fusible debe ser igual o mayor que la corriente simétrica interruptiva calculada en el punto de ubicación del fusible.

El fusible debe cumplir con cuatro funciones esenciales:

Aislar del sistema el transformador fallado.

Protección contra sobrecarga

Protección contra corto – circuito.

Soportar las corrientes de arranque y sobrecarga de corto tiempo. A continuación se presenta una tabla típica de selección de fusibles para transformadores de distribución, basados en fusibles EEI – NEMA tipo K o T y



fusibles tipo H. Se supone una conexión delta - estrella, transformador trifásico, lado delta 13.2 kV. TABLA 1. ELECCIÓN DE FUSIBLES PARA TRANSFORMADORES DE

DISTRIBUCIÓN.

kVA Amperios Nominales Fusible 9 15 30 45 75

112.5 150 225 300 500 700 1500

0.394 0.656 1.312 1.97 3.28 4.92 6.5

9.84 13.12 32.8 43.7 65.6

1 H 1 H 2 H 3 H 5 H

8 K-T 10 K-T 20 K-T 20 K-T 50 K-T 60 K-T 100 K-T

2.1.2 DESCARGADOR DE SOBRETENSIÓN En la actualidad los descargadores se construyen con elementos no lineales de óxido de zinc (ZnO) sin necesidad de “gaps” activos por la alta no linealidad de esta mezcla con otros óxidos metálicos. Los beneficios derivados para la industria son las ventajas de un descargador de sobretensión de estado sólido14:

Más pequeño: el volumen se reduce en más de un 60% debido a la eliminación de los explosores y componentes para la distribución uniforme de la tensión.

Más liviano: El ensamble sin explosores hace que se utilicen porcelanas de menor diámetro, reduciendo el peso en más del 50%.

Mejor funcionamiento: los descargadores de sobretensiones sin explosores están menos propensos al deterioro del funcionamiento.

14 Subestaciones. Fundamentos Teóricos y Consideraciones. Ing. José Carlos Romero Escobar. 2001



Respuesta rápida: La ausencia de explosores significa que bajo condiciones de sobretensión, no hay necesidad de considerar las características tensión – tiempo de los explosores. Todas estas ventajas con respecto al gap activo.

En diseños especiales, se emplean descargadores de ZnO con explosores. Se pueden clasificar los descargadores de sobretensión por su construcción y de acuerdo a la tensión de servicio, así:

Distribución: son los más usados para la protección de equipos, especialmente de transformadores sumergidos en aceite. Están diseñados para trabajo liviano y para aplicaciones generalmente de 34.5 kV hacia abajo.

Intermedio: Poseen un sistema de alivio depresión que asegura la salida de presión interna, antes que la porcelana explote, en caso de falla de la unidad. Diseñados para trabajo moderado y aplicaciones de 138 kV hacia abajo.

Estación: ofrecen las mejores características de protección y la más alta capacidad térmica, para trabajo pesado y tiene rango de aplicación de 2.4 kV a 800 kV.

2.1.2.1 Principio de funcionamiento. Consiste en la conexión a tierra del equipo a proteger a través de una resistencia variable. Están construidos de modo que absorban suficiente energía transitoria y corten la corriente en su primer paso por cero, después de la descarga de la sobretensión. Debe entrar en operación solamente cuando se alcance un determinado nivel de tensión. El descargador de óxido de zinc que esta compuesto de una resistencia no lineal, tiene un funcionamiento que consiste en convertirse en un conductor cuando la tensión supera un valor establecido a una frecuencia alta, recibiendo ellos la sobretensión y evitando que esta se propague a los equipos; esto lo realiza por el comportamiento no lineal de la resistencia que disminuye a medida que aumenta el voltaje.



La gran eficiencia del descargador de sobretensión de ZnO hace que los márgenes de protección sean mejores que los descargadores de sobretensión convencionales como el de carburo de silicio (SiC), haciendo que el BIL de los equipos sean menores. Deben proteger al transformador, a los equipos y a la red en general de sobretensiones ocasionadas por descargas atmosféricas y por maniobra. Para sistemas con tensiones nominales menores o iguales a 300 kV se considera las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas. Para tensiones mayores o iguales a 300 kV se consideran las sobretensiones ocasionadas por maniobra (apertura o cierre de interruptores). Los descargadores de sobretensión deben ser ubicados en los siguientes sitios:

1. Afloramiento de las salidas de circuitos de las sub - centrales.

2. En las transiciones aéreos – subterráneas o viceversa.

3. En los equipos conectados en las redes como transformadores.

4. En las derivaciones subterráneas a sub – centrales.

5. En los finales de circuitos. Estos deben ser instalados lo mas cerca posible de los equipos a proteger, conectándolos a tierra por medio de un conductor y procurando que la distancia sea lo mas corta posible y que la resistencia de puesta a tierra no exceda los valores preestablecidos por el RETIE, que debe ser un valor máximo de 10 Ω.



Las características de los descargadores son15:

• Tensión nominal: es el voltaje máximo a frecuencia industrial el cual puede ser aplicado al descargador de sobretensión por un límite de tiempo después de que el descargador ha absorbido una cantidad de energía.

• Corriente nominal de descarga: La corriente nominal de descarga de un descargador de sobretensión es el valor pico de corriente de descarga frente a una onda 8/20 µs.

• Tensión Máxima de Servicio ( mU ): Es la máxima tensión eficaz fase – fase que se puede presentar durante una operación normal en cualquier momento y cualquier punto del sistema. Según la IEC es el 7% de la tensión nominal del sistema. Es usado como la base para el cálculo de la tensión continua de operación (COV).

• Tensión Continua de Operación (COV): es el máximo valor permisible (rms) de voltaje a frecuencia industrial que puede ser aplicado continuamente entre las terminales del descargador.

%)7(3

ServiciodeMáximaTensiónUU

COV mm =⇒=

• Condiciones durante la falla a tierra: La amplitud y la duración más comúnmente esperada en una sobretensión temporal (TOV) del sistema de normalmente determinado por una falla línea - tierra y es tiempo que toma éste en despejarse. El voltaje nominal del descargador podría ser diferente dependiendo de las condiciones de la tierra. Para sistemas solidamente aterrizados: la duración de la falla a tierra es determinado por el tiempo requerido para que la protección despeje la falla. El factor de falla a tierra es 1.4 y el tiempo de despeje de la falla es 1 seg.

15 ASEA, ZnO SURGE ARRESTERS APPLICATION GUIDE



En sistemas con neutro aislado: la duración para una falla línea a tierra varia entre 10 seg. y 2 horas, el factor de falla a tierra es igual a 1.73.

• Sobretensión Temporal (TOV): el evento más común de una sobretensión temporal es causado por una falla línea a tierra. Es uno de los más importantes criterios para la selección de la tensión nominal del descargador de sobretensión, soportando las sobretensiones temporales.

aisladoneutroConKtierraapuestoeSolidamentK

tierradeFactorK

COVKTOV

e

e

e

e

→=→=

=

=

73.14.1

*

Sí un descargador de sobretensión se encuentra solidamente aterrizado debe cumplir con este parámetro obtenido de la práctica16:

10301

0

1

0 <<<<XR

yXX

• Nivel de Protección del Impulso Rayo: el aislamiento de los equipos es el

voltaje de protección frente a una onda tipo 1.2/50 .sµ

• Nivel Básico de Aislamiento (BIL): es el término general del nivel aislamiento de protección del equipo.

• Nivel de protección, voltaje de descarga, voltaje residual: es el máximo voltaje descargado que se obtiene frente a impulso de corriente a través del descargador.

• Capacidad de Energía: es la habilidad que tienen el descargador de disipar la energía en joules sin sufrir daños.

16 Subestaciones. Fundamentos Teóricos y Consideraciones. Ing. José Carlos Romero Escobar



Selección preeliminar del voltaje nominal 0R basados en el COV:

adorDescdelDiseñodeFactorKK

COVR arg8.000

0 =⇒=

• Selección preeliminar del voltaje nominal eR basados en el TOV:

=tK Capacidad del descargador de sobretensión, depende del tiempo de la duración de la falla.

TABLA 2. VALORES TÍPICOS DE KT PARA UNOS TIEMPOS DADOS

t 1 s 10 stK 1.15 1.06

Finalmente, para la selección del voltaje nominal del descargador de sobretensión, tomamos el mayor entre Re0 yR . Una vez seleccionado el mayor, tomamos un margen extra que se determina a continuación:

Para sistemas menores a 100 kV se toma un 10%

Para sistemas mayores a 100 kV se toma un 5%

te K

TOVR =



2.1.3 PUESTA A TIERRA El objetivo de una puesta a tierra es la de brindar protección a las personas y a los equipos instalados en el sistema contra sobretensiones y contingencias que se presentan en él, conduciendo las corrientes de falla a tierra. Las funciones de un sistema de puesta a tierra son5:

Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.

Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.

Servir de referencia al sistema eléctrico.

Conducir o disipar las corrientes de falla con suficiente capacidad.

En algunos casos, servir como conductor de retorno.

Transmitir señales de RF en onda media.

Para realizar un buen sistema de puesta a tierra se deben tener 4 criterios fundamentales para su diseño:

1. La máxima corriente de falla del sistema a proteger.

2. Tiempo de duración de la falla que es determinada por mi sistema de protección; es decir, el tiempo máximo de despeje de la falla por los dispositivos de protección, sin que sobrepase 0.15 segundos, según lo establece el RETIE.

3. El electrodo de puesta a tierra 5 RETIE: REGLAMENTO TÉCNICO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS



4. La resistividad del terreno. El electrodo de puesta a tierra según lo preestablece el RETIE debe ser cumplir con las siguientes características:

El calibre mínimo para sistemas de puesta a tierra en varilla de cobre copperweld debe ser de 12.7 mm.

Los electrodos deben ser constituidos por uno o varios de los siguientes tipos: varillas, tubos, placas o cables.

El material utilizado debe garantizar la resistencia a la corrosión mínimo por 15 años.

Los electrodos tipo varilla, deben cumplir los ensayos de doblado y rasgado establecidos en la norma técnica NTC 2206.

El electrodo tipo varilla o tubo debe tener mínimo 2.4 m de longitud y estar enterrado a 2.4 m, además debe estar identificado con el nombre del fabricante.

La parte superior del electrodo enterrado debe quedar a mínimo 15 cm de la superficie.

La resistividad del terreno es de gran importancia en el territorio colombiano, puesto que el suelo es distinto para las diferentes zonas del país, y que varía de acuerdo a la altura sobre el nivel del mar. El ph de la tierra es muy diferente en sitios a alturas sobre el nivel del mar (alcalino) que a alturas superiores, lo que va haciendo el ph del terreno más ácido. El terreno a su vez depende de la naturaleza del terreno, del grado de humedad y de la temperatura.



TABLA 3. VALORES TÍPICOS DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO POR SU CONFORMACIÓN.

CLASE DE TERRENO RESISTIVIDAD (Ω-m) Tierra pantanosa Tierra arcillosa húmeda Tierra arcillo – arenosa húmeda Tierra arenosa seca Tierra de arenisca dura Suelo con estrato de roca

50 100 200 1000 2000

10000 FUENTE: Tierras. Favio Casas Ospina. 1998 En Colombia las fallas de los transformadores por rayos son cerca del 40% por malos sistemas de puesta a tierra. Por lo general el sistema es sólidamente puesto a tierra en las sub - centrales para sistemas de media tensión; en el sistema de baja tensión se aterriza a lo largo del recorrido especialmente en donde hay transformadores. Para esto se usan varillas copperweld. La instalación de puesta a tierra de los equipos se realiza de la siguiente manera:

Descargadores de sobretensión: Se interconectan los extremos de sus puntas inferiores a tierra con alambre cobrizado y luego se conecta a un conductor bajante que se va hasta la varilla o electrodo en tierra.

Transformador: Se conecta entre sí el neutro y la carcaza con un conductor y estos se conectan a la bajante de la puesta a tierra de los descargadores de sobretensión.

Neutro: El neutro de baja tensión debe conectarse a tierra cada 5 postes así como los terminales del circuito.

Cable de guarda: Cuando el sistema posee cable de guarda ó si esta provisto de neutro, estos deben ser aterrizados en todos los postes.



Cable subterráneo: Cuando hay transición de cable subterráneo a sistema aéreo se debe conectar la pantalla de los cables con la puesta a tierra de los descargadores de sobretensión.

Para realizar un buen diseño de la puesta a tierra se deberá comprobar mediante el empleo de un procedimiento de calculo el cual los valores máximos de las tensiones de paso y de contacto aplicadas al ser humano, que calcule para la instalación proyectada, no supere los umbrales de soportabilidad; para ello se debe seguir el siguiente procedimiento:

Investigación de las características del suelo

Determinación de la corriente máxima de falla a tierra, que debe ser entregada por el operador de red para cada caso particular.

Determinación del tiempo máximo de despeje de la falla por los dispositivos de protección, sin que sobre pase 0.15 segundos.

Investigación del tipo de carga

Cálculo preeliminar de la resistencia de puesta a tierra

Cálculo de las tensiones de paso y contacto en la instalación

Ajuste y corrección del diseño inicial hasta que se cumpla los requerimientos de seguridad.



3. LAZOS INDUCTIVOS

En la mayoría de los transformadores de distribución en Colombia, los descargadores de sobretensión se instalan en paralelo con el conjunto transformador – cortacircuito, lo que implica la presencia del lazo inductivo. FIGURA 14. LAZO INDUCTIVO EN LA INSTALACIÓN DE TRANSFORMADORES

PUESTA A TIERRA

DESCARGADOR DE

SOBRETENSIÓN

TRANSFORMADOR

NEUTRO

AREA DE L.I

a b

dc

RAYO

I1I2



3.1 DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA El lazo inductivo LI es el área formada por los conductores (ver figura 14) entre la parte de la red de distribución que se encuentra entre la bajante de los bujes primarios del transformador y la bajante al descargador de sobretensión (a - b), los conductores que conectan la red primaria de distribución a los bujes de alta tensión del transformador (a – c), parte de la puesta a tierra comprendida entre el descargador de sobretensión y el punto de llegada a tierra del neutro del transformador (b – d), el tramo comprendido entre el neutro del transformador y el punto de conexión a tierra (c – d). El lazo inductivo opera bajo la presencia de corriente de alta pendiente que son evacuadas por el descargador de sobretensión generando simultáneamente sobretensiones en cada una de las tres fases del transformador. Cuando el descargador de sobretensión conduce la corriente del rayo, el lazo inductivo actúa como una espira en paralelo con el transformador generando un voltaje dependiente de la pendiente de la corriente, el cual aparece entre cada pasatapas y el tanque del transformador y que puede ser calculado aproximadamente de la siguiente manera17:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

dtdiLtV )(

donde: L= inductancia del lazo

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

dtdi = pendiente de la corriente

)(tV = voltaje generado en el lazo 17 Influencia de los lazos inductivos de la falla de los transformadores de distribución en la ciudad de Santa fe de Bogota. Ramón Enrique Jarabas Macias. 1996



3.2 EL FENÓMENO ELECTROMAGNÉTICO Cuando ocurre una descarga atmosférica sobre una línea, la onda de corriente del rayo se divide en 2 direcciones (ver figura 14), en un instante de tiempo entra en operación el descargador de sobretensión, éste descarga la corriente del rayo a través de la puesta a tierra, creando un campo magnético en el conductor comprendido entre el descargador de sobretensión y el punto de conexión de la llegada del neutro del transformador al sistema de puesta a tierra (b – d), induciendo unas tensiones entre los bujes y el tanque del transformador. FIGURA 15. ESQUEMA FÍSICO DEL LAZO INDUCTIVO

a b

dc

FUENTE DE CORRIENTE

I2 I1r

h



Debido a la existencia de estos campos magnéticos se inducen ciertas corrientes en los devanados del transformador y aplicando la ley de Ampere se establece que se genera una Fuerza magnetomotriz a lo largo de esta trayectoria cerrada. La fuerza magnetomotriz (fmm) esta dada por la integral de línea alrededor de la trayectoria cerrada de la componente de la intensidad de campo magnético que es tangente a la trayectoria y esta dada por la ecuación18:

∫ == AvIdsHfmm * Donde: H: Intensidad de campo magnético (Av/m) s: distancia a lo largo de la trayectoria (m) I: corriente encerrada (A)

)2.3(2

)1.3(*

rHI

dsHI

π=

= ∫

donde:

)3.3(2 rIHπ

=

La densidad de flujo a r metros del centro del conductor es:

)4.3(2

*

*

2mWb

rIB

HB

πµ

µ

=

=

18 Análisis de Sistemas de Potencia. Grainger / Stevenson.



donde: µ: es la permeabilidad del conductor En las unidades del sistema internacional (SI) la permeabilidad del espacio libre

es: mH7

0 104 −×= πµ , y la permeabilidad relativa es 0µµµ =r .

El campo dentro del área del lazo inductivo es:

)5.3(* AB=φ

A: área donde se presenta el lazo inductivo

rhA *= El voltaje inducido por el fenómeno del lazo inductivo se muestra en la ecuación 3.7.

)7.3(*2

)6.3(*2

*

AdtdI

rdtdV

ArI

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

=

πµφ

πµφ

Tomando en cuenta que para nuestro estudio el área del lazo inductivo se semeja a un rectángulo (ver figura 15), tomamos esta área y la sustituimos en la ecuación 3.7, obteniendo la siguiente relación:



)9.3(**102

)8.3(*2

**

7 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛×=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

−

dtdIhV

dtdI

rrhV

πµ

Como una demostración de un sistema con presencia del fenómeno de lazo inductivo en transformadores de distribución, tomaremos como ejemplo una descarga atmosférica de 10 kA, sobre un conductor, con una onda de corriente de 1.2X50 µs. El área del lazo inductivo se tomará con referencia a la figura 15, cuyos parámetros son los siguientes: • Transformador trifásico de distribución de 15 kVA, con aislamiento en aceite. • Relación de transformación 13.2 kV/120 V. • BIL (nivel básico de aislamiento) = 110 kV • Distancias: r =1 m y h = 2 m.

( ) ( ) ( )( )

( )

VV

skAmHV

skA

m

mmmH

V

dtdI

rrhV

26666

2.140*4*102

2.110*

1**2

1*4*104

*2

**

7

7

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

−

−

µ

µπ

π

πµ

Para la simplificación de unidades utilizamos que19: 1H = 1Ω*1s

19 Física. La Naturaleza de las Cosas. V2. Lea Susan



El ejercicio anterior nos ayuda a visualizar como el lazo inductivo induce una tensión sobre el transformador. Esta tensión depende en principio de la configuración de las protecciones del sistema. El resultado que se obtuvo de 26666 V, no genera ningún problema, puesto que no se esta excediendo el nivel básico de asilamiento (BIL) que es de 110 kV20. El problema de lazos inductivos se resume en la existencia de un área conformada por las bajantes, los descargadores y la sección de puesta a tierra que va de los descargadores al tanque del transformador y al neutro de la red secundaria de distribución.

20 Elementos de Diseño de Subestaciones Eléctricas. Enríquez Harper Gilberto.



4. METODOLOGÍA APLICADA PARA LA DISCRIMINACIÓN DE LAS POSIBLES FALLAS

El departamento de Santander cuenta con un alto nivel ceráuneo y uno de los puntos críticos de estas descargas son las líneas de distribución aéreas. Estas sobretensiones causadas por el fenómeno no son desviadas a tierra eficientemente por los equipos de protección (descargadores de sobretensión), y como consecuencia se generan ondas viajeras que producen efectos nocivos en los transformadores de distribución y a su vez a los aparatos electrodomésticos ubicados en las residencias. En el estudio de ANÁLISIS DE LAS FALLAS DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN Y APARATOS ELECTRODOMÉSTICOS POR SOBRETENSIONES OCASIONADAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA ZONA RURAL DEL MUNICIPIO DE BARBOSA SANTANDER, tomaremos tres patrones que son muy influyentes en los problemas de sobretensiones en los sistemas de distribución. En este capitulo se pretende hallar las causas del problema que se presenta en el municipio de Barbosa, para esto realizamos un estudio directamente en la zona, observando el comportamiento del sistema ante una descarga atmosférica y basados en una encuesta realizada a los usuarios, se determinó una serie de posibles fallas que están involucradas directa o indirectamente en el proceso de formación del fenómeno. Como primera medida se tuvo en cuenta la puesta a tierra del transformador de distribución, cuyo objetivo es brindar protección a las personas y a los equipos instalados contra sobretensiones. Sabiendo que la razón fundamental del tema de investigación son las descargas atmosféricas, y teniendo en cuenta que el descargador de sobretensión es el elemento encargado de que estas sobretensiones sean descargadas eficientemente a tierra, realizamos un seguimiento al tipo de selección de éste elemento utilizado por la Electrificadora de Santander S.A., el cual nos dará criterios para concluir de sí es o no apropiado para la zona de estudio.



Como fenómeno externo a elementos de protección y también influenciado por descargas atmosféricas, se estudiará la teoría de lazos inductivos, el cual tiene dependencia principalmente del tipo de montaje de las protecciones de los transformadores de distribución. En resumen, las tres posibles fallas para que ocurran estas determinadas situaciones, realizamos un análisis de los siguientes aspectos:

a. Deficiencia en el diseño de las puestas a tierra

b. Problemas por presencia de lazos inductivos

c. Mala selección o mal funcionamiento de los descargadores de sobretensión.

Entrando detalladamente a cada una de estos aspectos, mostraremos su participación en el problema o descartamos su incidencia en éste. 4.1 ANÁLISIS DEL DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA Se realizaron las mediciones respectivas de las puestas a tierra de algunos transformadores de distribución de la zona rural del municipio de Barbosa en conjunto con la Electrificadora de Santander, con el fin de determinar el valor de la resistencia y concluir por medio de normas técnicas si el valor esta dentro de los limites permitidos. Para obtener unos datos confiables, llevamos a cabo las mediciones en tiempo seco, el esquema de medición se puede apreciar en la figura 16. Como una norma de seguridad en éste proceso se abre el cortacircuito para evitar posible descarga transitoria que ocurra durante la manipulación de la tierra. El equipo utilizado para la medición de la puesta a tierra es: Marca: Kyoritsu Referencia: Kearth Tester Modelo: 4102



FIGURA 16. ESQUEMA DE MEDICIÓN

Los datos obtenidos los relacionamos en la siguiente tabla. TABLA 4. VALORES MEDIDOS DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA TRANSFORMADOR No. CAPACIDAD (kVA) RESISTENCIA (Ω)

Trafo - 01 30 10 Trafo – 02 30 10 Trafo – 03 25 2.9 Trafo – 04 10 6.9 Trafo – 05 25 8.5 Trafo – 06 30 10.5 Trafo – 07 75 12 Trafo - 08 50 11.3

CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA

DESCARGADOR DE

SOBRETENSIÓNTRANSFORMADOR

NEUTROdc

CORTACIRCUITO ABIERTO



Con las mediciones obtenidas se procedió a realizar una comparación con lo preestablecido en el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE), en el capitulo II, articulo 15 donde se menciona los valores máximos de la resistencia de puesta a tierra para las distintas aplicaciones según normas ANSI/IEEE 8021, NTC – 205022. TABLA 5. VALORES DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA PARA LOS DIFERENTES USOS

USO PARA VALOR MÁXIMO DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA (Ω)

Estructuras de líneas de transmisión 20 Subestaciones de alta y extra alta tensión

1

Subestaciones de media tensión en poste

10

Subestaciones de media tensión de uso interior

10

Protección contra rayos 10 Neutro de acometida en baja tensión 25 FUENTE: Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas Según los parámetros preestablecidos en el RETIE, el uso de puestas a tierra para protección contra rayos debe tener un valor máximo de resistencia de 10 Ω. Con los resultados obtenidos en las mediciones, se muestra que los valores de algunas de las resistencias no están dentro de los limites establecidos, pero, están dentro de un rango de tolerancia en el cual el valor no excede un valor de importancia comparado con el máximo permitido por el RETIE; considerando, que el valor de los sistemas de puestas a tierra de la protección contra rayos debe ser máximo 15 Ω23. Por consiguiente; retomando lo anteriormente dicho, concluimos que: el sistema de puesta a tierra no es el problema de nuestra investigación ANÁLISIS DE LAS FALLAS DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN Y APARATOS 21 Guide for safety in AC substation Grounding. 2000 22 Código Eléctrico Colombiano. ICONTEC. 1998 23 Protección contra Descargas Eléctricas Atmosféricas. NTC – 4552. ICONTEC. 1999



ELECTRODOMÉSTICOS POR SOBRETENSIONES OCASIONADAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA ZONA RURAL DEL MUNICIPIO DE BARBOSA (SANTANDER) y por tanto lo hemos descartado del estudio. 4.2 ANÁLISIS DEL LAZO INDUCTIVO Este fenómeno de lazos inductivos se presenta en instalaciones antiguas, generada por malos diseños de los descargadores de sobretensión desde el punto de vista de su ubicación con respecto al del transformador. FIGURA 17. ESQUEMA DE DETERMINACIÓN DEL LAZO INDUCTIVO

Cuando ocurre una descarga eléctrica en la red, este lazo inductivo produce daños fulminantes en los transformadores de distribución, pero a diferencia de esto,



observando el diseño del montaje de los diferentes transformadores de distribución de las zonas rurales se determinó, que presentan el fenómeno de lazo inductivo. Según la teoría de lazos inductivos (capitulo 3), para que exista este fenómeno de campo magnético se requiere que exista un área conformada por las bajantes, los descargadores y la sección de puesta a tierra que va de los descargadores al tanque del transformador y al neutro de la red secundaria de distribución. (ver figura 14). Al observar la configuración geométrica de los transformadores de la zona de Barbosa (ver anexo B), se observa que, existe el parámetro mencionado en el parágrafo anterior, puesto que hay un área cerrada como se especifica en el capitulo 3. A diferencia de lo visto teóricamente el diseño mostrado en la figura 17, el cual es el utilizado en el sistema de distribución rural del municipio, observamos que: sólo existe una bajante de la red principal, el cual va directo al corta-circuito fusible y al descargador de sobretensión, y de estos al buje del transformador. Esto implica en que el área de presencia de lazo inductivo sea menor, y por tanto las tensiones inducidas son más bajas. Para reafirmar que el fenómeno de lazo inductivo no es la causa de nuestro problema de investigación, lo analizaremos desde el punto de vista electromagnético para uno de los transformadores estudiados en la zona, bajo unas condiciones dadas: FIGURA 17A. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA

la onda de corriente tipo rayo es de 1.2x50 µs

la amplitud de la corriente es de 40 kA.

Configuración del sistema (ver figura 17A)

Área de lazo inductivo: 1.8 m X 1 m

1.8 m

NEUTRO

I2 I1

RAYO

AREA DE L.I

1 m

DESCARGADOR DE

SOBRETENSIÓN

PUESTA A TIERRA



( )

( )

VV

skAmH

lazodelbaserlazodelalturah

skA

r

rhmH

V

tiempoalrespectoconcorrienteladederivadadtdI

inductivolazodeáreaAconductordeldadpermeabili

dtdI

rAV

12000

2.140*8.1*102

2.140*

**2

**104

*2*

7

7

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×=

=

==

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

−

−

µ

µπ

π

µ

πµ

En esta sección el análisis de lazo inductivo queda descartado puesto que la tensión inducida en el transformador es insignificante comparada con el BIL del equipo, que es 95 kV para el caso de los transformadores marca Magnetron usados en la zona de investigación. Para el análisis usamos la probabilidad más alta de la intensidad de los rayos para zonas tropicales, lo cual corresponde: a que el 50% de las descargas atmosféricas superan los 40 kA. 4.3 ANÁLISIS DE LOS DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN El problema de la mala selección o mal funcionamiento de los descargadores de sobretensión sería nuestra posible falla de mayor importancia.



Gracias a nuestra encuesta realizada (ver anexo A), y las respuestas suministradas por los usuarios a un número de preguntas referidas a todos los problemas presentes, se optó por realizar un estudio más a fondo de los cálculos para la selección apropiada de los descargadores de sobretensión que se debiesen utilizar en el sistema de media tensión, y dado el caso, encontrar las fallas presentes. 4.3.1 Selección del Descargador de Sobretensión. En esta sección desarrollaremos los cálculos matemáticos para determinar la selección adecuada del descargador de sobretensión, una vez que se ha determinado éste, procedemos a compararlo con el descargador usado actualmente. Por medio del siguiente procedimiento, observaremos que el cálculo realizado para seleccionar el descargador de sobretensión actualmente es basado en parámetros ideales. Los parámetros iniciales son:

El descargador que se usa es del tipo de Oxido de Zinc (ZnO).

Se encuentra aterrizado solidamente puesto a tierra 4.1=eK

Relación de los transformadores es de VkV

1202.13

Um = Tensión Máxima de Servicio: según la IEC es el 7% de la tensión nominal.

kVU m 124.1407.1*2.13 ==



Tensión continúa de operación COV

kVkVCOV 154.83

124.14==

Sobretensión temporal TOV

kVkVTOVtierraapuestoesolidamentKeKekVTOV

KeCOVTOV

416.114.1*154.84.1*154.8

*

===⇒=

=

Se entiende por solidamente aterrizado, que el sistema de conexión a una puesta a tierra sin otra resistencia que la del cable, es decir, sin impedancias, resistencias ni inductancias. Selección preeliminar del voltaje nominal 0R basados en el COV: Ko = 0.8 factor de diseño24

kVkVR

diseñodefactorKK

COVR

O

OO

O

193.108.0

154.8

8.0

==

=⇒=

Selección preeliminar del voltaje nominal eR basados en el TOV: KT = 1.15. Ver tabla 2. Valores de KT25

24 Ko factor de diseño sugerido por el fabricante. (ASEA) 25 KT = Capacidad del descargador de sobretensión, depende del tiempo de duración de la falla (ASEA)



kVkVR

segtunparaKK

TOVR

e

tt

e

927.915.1

416.11

.115.1

==

==⇒=

Escogemos Ro = 10.193 kV por ser mayor Margen extra de 10% < 100 kV → Vn descargador = 10.193*1.1 = 11.2 kV El descargador de sobretensión adecuado para el correcto funcionamiento del sistema de protección contra descargas atmosféricas, es un descargador de sobretensión cuyo voltaje nominal va a ser de 11.2 kV para un sistema solidamente puesto a tierra a frecuencia industrial (60 Hz). Actualmente en la Electrificadora de Santander (ESSA) utiliza un descargador de sobretensión AZX de oxido de zinc, marca Celsa, de 12 kV, 10 kA. Este tipo de descargador consiste en una serie de pastillas de oxido de zinc, con una característica natural de resistencia altamente no lineal, el cual al estar energizado al voltaje de línea – tierra, permite sólo el paso de una pequeña corriente de fuga. Esta corriente es del orden de miliamperios (principalmente es capacitiva con una pequeña componente resistiva) por lo cual puede ser tolerada por el sistema durante el régimen normal de operación. El procedimiento matemático realizado anteriormente se ha hecho teniendo en cuenta sistemas ideales, como es el caso del factor de falla a tierra eK el cual tiene un valor de 1.4 para sistemas solidamente puesto a tierra. El factor eK depende de la forma en como esta conectado el sistema a tierra, considerando la falla de línea a tierra que produce la sobretensión en las fases no falladas. De acuerdo con esto, la relación de secuencia cero a secuencia positiva

1XX C y

1XRC se ubican sobre la grafica de valores constantes del factor de falla

a tierra eK de la figura 18.



Ahora se determinará el factor de falla a tierra eK con la ayuda de las relaciones de las resistencias y reactancias de secuencia positiva y cero; estos valores se determinaron teniendo en cuenta que las distancias26 entre fases a un nivel de tensión de 13.2 kV es de 0.4 m, con un calibre de conductor de 2 ACSR, y una resistividad del terreno de 100 m−Ω . El valor de la resistividad del terreno se determino por el tipo de suelo que se encuentra en la zona. En la tabla 3, se especifica los valores de resistividad teniendo en cuenta la naturaleza del terreno, que para nuestro caso es un terreno arcilloso húmedo. Gracias al software SPARD POWER obtuvimos los valores de las resistencias y reactancias de secuencia positiva y cero.

kmX

kmX

kmR

kmR

C

C

Ω=

Ω=

Ω=

Ω=

8.0

15.4

66.1

02.2

1

1

NOTA: CC XyR es la notación de la resistencia y reactancia de secuencia cero.

26 Normas para Cálculo y Diseños de Sistemas de distribución. Electrificadora de Santander. 1993



La relación:

Para los resultados que se obtuvieron, se debe tener en cuenta la distancia que hay de la subestación a los transformadores, que es de aproximadamente 2 km. FIGURA 18. RELACIÓN PARA VALORES CONSTANTES DEL FACTOR DE FALLA A TIERRA eK

FUENTE: Norma Técnica Colombia NTC – 4616

k = 1.5

k = 1.5k = 1.4

k = 1.3

k = 1.2

X0X1

X1R0

k = 1.7

k = 1.6

525.2/8.0/02.2

1

=ΩΩ

=kmkm

XRC

1875.5/8.0/15.4

1

=ΩΩ

=kmkm

XX C



Hemos determinado que el factor de falla a tierra es igual a 1.5 (ver figura 18), lo que nos demuestra, que el sistema no se encuentra solidamente puesto a tierra, puesto que para un sistema solidamente aterrizado el factor Ke = 1.4 y que el análisis matemático realizado para la selección del descargador de sobretensión estaría ineficiente. Ahora se realizará el procedimiento anteriormente hecho, usando el nuevo factor de falla a tierra. Um = Tensión Máxima de servicio: según la IEC es el 7% de la tensión nominal.

kVU m 124.1407.1*2.13 == Tensión continúa de operación COV

kVkVCOV 154.83

124.14==

Sobretensión temporal TOV

kVkVTOVKeKekVTOV

KeCOVTOV

231.125.1*154.85.1*154.8

*

===⇒=

=



Selección preeliminar del voltaje nominal 0R basados en el COV:

kVkVR

diseñodefactorKK

COVR

O

OO

O

193.108.0

154.8

8.0

==

=⇒=

Selección preeliminar del voltaje nominal eR basados en el TOV:

kVkVR

segtunparaKK

TOVR

e

tt

e

538.1106.1

231.12

.1006.1

==

==⇒=

Escogemos Re = 11.538 kV por ser mayor Margen extra de 10% < 100 kV → Vn descargador = 11.538*1.1 = 12.7 kV El nuevo descargador de sobretensión para el sistema de protección de los transformadores de distribución, según los cálculos realizados deben ser de voltaje nominal de 12.7 kV.



4.3.1.1 Análisis comparativo. TABLA 6. CUADRO COMPARATIVO DE LA SELECCIÓN DEL DESCARGADOR DE SOBRETENSIÓN. DESCARGADOR DE SOBRETENSIÓN

(ESSA) DESCARGADOR DE SOBRETENSIÓN

(SUGERIDO) Voltaje Nominal 12 kV Voltaje Nominal 15 kV Corriente Nominal de Descarga 10 kA Corriente Nominal de Descarga 40 kA Tensión Continua de operación (COV)

8.15 kV Tensión Continua de operación (COV)

8.15 kV

Sobretensión Temporal (TOV) 11.41 kV Sobretensión Temporal (TOV) 12.23kV Voltaje residual al impulso 8/20 µs 40 kV Voltaje residual al impulso 8/20 µs 67.8 kV Factor de falla a tierra Ke 1.4 Factor de falla a tierra Ke 1.5 BIL del Transformador27 95 kV BIL del Transformador 95 kV Según los cálculos realizados el voltaje nominal del descargador de sobretensión adecuado es igual a 12.7 kV a frecuencia industrial (60 Hz); el cual comercialmente no existe. Por consiguiente, los fabricantes nos ofrecen dos alternativas: uno de 12 kV o de 15 kV. El descargador de sobretensión utilizado por la ESSA es de 12 kV - 10 kA, el cual no es adecuado para un correcto funcionamiento del sistema porque:

1. El procedimiento desarrollado por la ESSA considera un sistema solidamente puesto a tierra (Ke=1.4), el cual se demostró en los cálculos realizados en nuestro estudio, que el sistema no se encuentra solidamente aterrizado (Ke=1.5); por consiguiente, la tensión nominal del descargador de sobretensión variaría, puesto que depende básicamente del factor de conexión a tierra.

2. La sobretensión temporal (TOV) hallada en la investigación es igual a 12.231kV, lo que implica que el descargador de sobretensión a instalar no debe ser inferior a éste valor.

Contrario a esto, la ESSA utiliza un descargador de sobretensión de 12 kV, lo que significa que ésta tensión es el valor máximo que puede ser aplicado

27 BIL según catalogo para transformadores marca MAGNETRON., Usado por la ESSA.



al descargador de sobretensión a frecuencia industrial por un limite de tiempo. Debido a que la sobretensión temporal calculada es mayor a la tensión nominal del descargador (12.231 kV > 12 kV), el descargador de sobretensión utilizado esta propenso a quemas en el instante que se presente una sobretensión temporal a frecuencia industrial.

3. El municipio de Barbosa cuenta con un alto nivel ceráuneo entre 60 y 80 días tormentosos al año (ver figura 13) y aparte de éste, por ser catalogada como zonas tropicales, estadísticamente hay reportes de que el 50% de los rayos tienen una intensidad superior a los 40 kA y un 25% que sean superiores a los 60 kA.

La corriente nominal de descarga de un descargador de sobretensión es el valor pico de corriente de descarga frente a una onda 8/20 µs; la ESSA utiliza un descargador de sobretensión con una corriente nominal de 10 kA, la cual es muy factible que el equipo se destruya a intensidades de corrientes superiores.

4. El descargador de sobretensión sugerido cumple con los parámetros establecidos para la protección del transformador, y además cumple con el margen de protección del nivel básico de asilamiento (BIL) del equipo que es como mínimo el 20% del BIL28.

Como el BIL de los transformadores utilizados por la electrificadora de Santander es de 95 kV, el margen de seguridad es el 20% del BIL, es decir, tiene un valor de 76 kV. Las especificaciones del descargador de sobretensión sugerido ante una descarga de 40 kA, el fabricante especifica un voltaje residual máximo pico al impulso de corriente de onda 8/20 µs con un valor de 67.8 kV, el cual estaría en un rango que satisface el valor mínimo de seguridad del BIL. Ver figura 19.

28 Elementos de diseño de subestaciones eléctricas. Enriquez Harper Gilberto.



FIGURA 19. COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN Y LA CORRIENTE DEL DESCARGADOR DE SOBRETENSIÓN.

5 10 15 20 25 30 35 t ( seg.)

MARGEN DE PROTECCIÓN

TENSIÓN kV

95

7667.8

TENSIÓN RESIDUAL

BIL

20 % DEL BIL

ONDA DE SOBRETENSIÓN

Con esto se demuestra que el descargador de sobretensión sugerido cumple con unas exigencias de comportamiento ante una anomalía en el sistema. 4.3.1.2 Efectos de las sobretensiones en los aparatos electrodomésticos. Un efecto de las descargas atmosféricas en las redes de distribución es la quema de electrodomésticos por sobretensiones, ésta anomalía se presenta cuando no están funcionando las protecciones del transformador de distribución correctamente.



En el presente trabajo de grado se estudiaron las posibles causas de los daños de transformadores de distribución, en el cual se analizaron: los sistemas de puesta a tierra, presencia de lazos inductivos y descargador de sobretensión. Un usuario del servicio de energía eléctrica, conectado a la red de baja tensión cuenta con protección aguas arriba de su acometida, únicamente con las protecciones que cuenta el transformador de distribución: cortacircuito – fusible y descargador de sobretensión. Cuando alguna de éstas protecciones no opera eficientemente, el transformador puede presentar daños, el cual se reflejan directamente en los equipos de los usuarios conectados a este circuito. En esta monografía se ha determinado que el descargador de sobretensión utilizado en el sistema de distribución rural del municipio de Barbosa, se encuentra mal seleccionado; por consiguiente, ante una eventual sobretensión causada por una descarga atmosférica, el equipo a proteger esta vulnerable a un daño, e indirectamente sus circuitos aguas abajo reciben las sobretensiones que se presentan en ese instante de tiempo. El tipo de usuario al que esta enfocada esta investigación esta conectado al sistema de media tensión de 13200 V, por medio de un transformador con relación de 13200 V / 240 - 120 V y cuenta con una tensión de llegada de 120 Vac entre fase y neutro a una frecuencia de 60 Hz. Para poder determinar que tensión recibe el usuario ante una sobretensión causada por una descarga atmosférica, en la cual, el descargador de sobretensión no operó correctamente, permitiendo que el transformador reciba la intensidad del rayo y la transforme enviándolas a los usuarios por un instante de tiempo. A continuación mostramos una serie de relaciones que nos permiten encontrar la tensión reflejada al secundario del transformador asumiéndolo como circuito magnético. Tomando una analogía entre los circuitos eléctricos y magnéticos, basándonos en la ley de ohm tenemos:



TABLA 7. ANALOGÍA ENTRE CIRCUITOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS

ELÉCTRICOS MAGNÉTICOS Conductividad σ Permeabilidad µ Fuerza electromotriz (fem) V Fuerza magnetomotriz (fmm) ℑ Corriente I Flujo magnético Ψ Resistencia R Reluctancia R

Ley de ohm: SI

VRσl

== Ley de ohm: Sµl

=Ψℑ

=ℜ

FUENTE: Elementos de electromagnetismo. M. Sadiku Donde l y S son la longitud media y el área de la sección transversal del núcleo magnético, respectivamente. La fuerza magnetomotriz es igual a: ℜ×Ψ=ℑ Despejando el flujo tenemos:

l

l

SiN

S

iN

×××=Ψ

×

×=

ℜℑ

=Ψ

µ

µ

11

11

De acuerdo con la ley de Faraday la fuerza electromotriz (fem) inducida en la segunda bobina; es decir, en el lado secundario del transformador se tiene:



dtdNV Ψ

×= 22

dtdiSNNV 11

22 ×××

×=l

µ

La tensión en el lado secundario del transformador en relación a la reluctancia tenemos:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛×

ℜ×

==dtdiNNVVS

1122

donde:

1i = a la corriente inducida al lado primario del transformador por una descarga eléctrica ocurrida en la red.

1N = número de vueltas en el núcleo del lado primario del transformador.

2N = número de vueltas en el núcleo del lado secundario del transformador. El valor de la reluctancia depende de la longitud ( l ) y de la sección transversal (S) del núcleo del transformador, cuyo valor no es posible obtener, teniendo en cuenta que éstos son parámetros de construcción y por políticas de las empresas no son suministradas al público. Por tal motivo no es posible realizar un cálculo numérico del voltaje reflejado en el secundario del transformador, y queda a criterio del lector de que es evidente el daño en los aparatos electrodomésticos de los usuarios, por causa de una descarga atmosférica, partiendo de la existencia de una mala selección de los descargadores de sobretensión.



5. CONCLUSIONES

Las resistencias de los sistemas de puesta a tierra del ANALISÍS DE LAS FALLAS DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN Y APARATOS ELECTRODOMÉSTICOS POR SOBRETENSIONES OCASIONADAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA ZONA RURAL DEL MUNICIPIO DE BARBOSA (SANTANDER) se encuentran dentro de los parámetros establecidos por el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE).

Se determinó que el sistema de puesta a tierra no se encuentra solidamente aterrizado, para el caso práctico de la selección del descargador de sobretensión.

En el proceso de medición de la resistencia de puesta a tierra se observó el buen estado de los conductores y conectores que unen al electrodo.

El sistema de puesta a tierra no es un causal de los daños de transformadores de distribución y aparatos electrodomésticos ocasionados por las descargas atmosféricas para el caso práctico de nuestra investigación.

El diseño de montaje de la estructura del transformador utilizado por la Electrificadora de Santander S.A., muestra que existe un área de lazo inductivo; pero, al realizar un cálculo de la tensión inducida en el transformador no afecta el nivel básico de aislamiento (BIL), lo cual fue descartado como causante del problema.

Según la encuesta realizada a un grupo de usuarios rurales (ver anexo A), se ratifica la existencia de daños en aparatos electrodomésticos durante la presencia de tormentas eléctricas.

El descargador de sobretensión usado actualmente por la Electrificadora de Santander, se encuentra mal seleccionado.



Debido a que la sobretensión temporal calculada es mayor a la tensión nominal del descargador, el descargador de sobretensión utilizado esta propenso a quemas en el instante que se presente una sobretensión temporal a frecuencia industrial.

En el diseño de la protección de sistemas de distribución con descargadores de sobretensión, considera valores de normas internacionales o normas técnicas colombianas que no reflejan la realidad del entorno tropical colombiano, en cuanto a magnitud de parámetros del rayo y su variación en el espacio y en el tiempo.

En Colombia el 50 % de las corrientes de los rayos superan los 40 kA, actualmente la Electrificadora de Santander utiliza descargadores de sobretensión de 10 kA; por lo tanto, éste descargador de sobretensión no sería adecuado para un correcto funcionamiento en zonas tropicales.

El municipio de Barbosa (Santander), cuenta con un alto nivel ceráuneo, entre 60 – 80 días tormentosos al año, y por su ubicación geográfica es catalogada como zona tropical; lo cual demuestra una alta probabilidad de presentarse descargas atmosféricas.

El sistema de protección de los transformadores de distribución es básicamente la misma para los usuarios, y por ende, ante una falla de alguno de éstos, se verá reflejado en el daño de los transformadores y de los equipos electrodomésticos de los usuarios.

Con el descargador de sobretensión mal seleccionado, los transformadores de distribución y los equipos electrodomésticos están propensos a sufrir daños ante una sobretensión causada por una descarga atmosférica.



6. RECOMENDACIONES

Realizar un mantenimiento periódico del estado de los sistemas de protección de los transformadores de distribución.

Mejorar las resistencias de las puestas a tierra de algunos de los transformadores de distribución.

Cambiar los descargadores de sobretensión, por unos que sean aptos para el correcto funcionamiento en las zonas tropicales.

Se recomienda el uso del descargador de sobretensión sugerido en esta monografía, para así poder brindar una mayor protección a los equipos.

Tener una mejor comunicación entre la electrificadora y los usuarios, para así estos mismos informen sobre anomalías en el sistema.

Que la empresa maneje un control estadístico de los transformadores averiados y de los usuarios afectados para así centralizar las zonas de mayor impacto.

Realizar un estudio de la resistividad del terreno, para en un futuro poder realizar el procedimiento de la selección del descargador de sobretensión más precisa y apta para la zona.



BIBLIOGRAFÍA

ACIEM. Curso de protecciones eléctricas de media y alta tensión. Julio 1997 ASEA. ZnO Surge Arresters Application Guide. January 1986. CASAS OSPINA, Favio, Tierras soportes de la seguridad eléctrica. CASTAÑEDA, John Alex / LEMUS GARCIA, Humberto. Teoría de los lazos inductivos. Parte II. Volumen II. UNIVERSIDAD NACIONAL. 1992 CHAPMAN, Stephen J. Maquinas Eléctricas. Tercera edición. 2000. DOSSIER Centrales y Subestaciones. Ing. Álvaro Venegas DOSSIER Líneas de transmisión. Ing. Rafael Chaparro ELECTRIFICADORA DE SANTANDER S.A. Normas para cálculo y diseño de sistemas de distribución. 1993. ENRIQUEZ HARPER, Gilberto. Elementos de diseño de subestaciones eléctricas. 1990 GRAINGER John / STEVENSON William. Análisis de sistemas de potencia. Primera edición. 1996. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS .Norma Técnica Colombiana NTC 4552. Protección contra descargas eléctricas atmosféricas. ICONTEC. 1999



INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Norma Técnica Colombiana NTC 4389. Descargadores de sobretensiones (pararrayos) de oxido metálico sin espaciadores (without gaps) para sistemas de corriente alterna. ICONTEC. 1998 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Norma Técnica Colombiana NTC 4616. Selección, uso y recomendaciones del descargador de sobretensión. 1999. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas colombianas para la presentación y elaboración de trabajos y tesis de grado. Bogota. ICONTEC. 2002 JARABAS MACIAS, Ramón Enrique. Influencia de los lazos inductivos de la falla de transformadores de distribución en la ciudad de Santa fe de Bogota. UNISALLE. 1996 LEA Susan. Física: La naturaleza de las cosas. V2. 2000 LIZARAZO SIERRA, Leonardo / VEGA MEDINA, Víctor Julián. El efecto de los lazos inductivos en transformadores de distribución. UNIVERSIDAD NACIONAL. 1991. MUNDO ELÉCTRICO COLOMBIANO. Artículos: Redes localizadoras de rayos y su aplicación en la ingeniería, nuevos enfoques de protección contra sobretensiones, rayos y protecciones, comparación de tecnologías (protección Vs. Prevención de descargas atmosféricas, el pararrayos de franklin y el pararrayos basado en electrodos flotantes, puesta a tierra de protección contra rayos, las normas de la IEC para la protección contra rayos. Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE). 7 de Abril de 2004. RICHARDSON, Donald. Maquinas Eléctricas Rotativas y transformadores. Cuarta edición. 1997



ROMERO ESCOBAR, José Carlos. Protecciones eléctricas. Universidad Nacional. 2000 ROMERO ESCOBAR, José Carlos. Subestaciones. Fundamentos teóricos y consideraciones. Universidad Nacional. 2001 SADIKU, Matthew. Elementos de electromagnetismo. Segunda edición. México 2002 SEGELECTRICA LTDA. Primera edición, Bogotá. 1998 TORRES SÁNCHEZ, Horacio. El rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología. Bogotá: Unibiblos, 2002. VARGAS AVILA, Pedro Alejandro. Manual de técnicas en medición de sistemas de puesta a tierra. UNISALLE. 2000. ZAMUDIO Q, Orlando. Protecciones contra sobretensiones ocasionadas por descargas atmosféricas en transformadores de distribución. UNISALLE.1997



ANEXO A. ENCUESTA REALIZADA A LOS USUARIOS

MARCA Zcc CONEXIÓN TIERRA SIEMENS 7% DY5 10 ?

El servicio de luz se va muy seguido sobre todo cada vez que truena esto pasa mas o menos unas 15 - 20 al mes, dependiendo del clima que este haciendo aunque un solo día se contaron 16 veces.

Nosotros no hacemos ningún tipo de reclamo porque ya se sabe que nunca hacen nada para solucionar

TRANSFORMADOR No. 01CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR

NUMEROS DE USUARIOS DEL TRAFO

¿COMO SE ENCUENTRA ACTUALMENTE LA CONFIABILIDAD DEL SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA?

PABLO VI

DATOS TÉCNICOS PRIMARIO/SECUNDARIO

¿HAN TENIDO QUEMA DE ALGÚN EQUIPO ELECTRODOMÉSTICO?

Personalmente tuve una quema de un televisor, un día que cayo mucho rayo y no estaba desconectado.

CARGA INSTALADA 2,1 kW

CONSUMO PROMEDIO 58 kWh

La luz por lo general si es un dia tormentoso vuelve hasta el otro dia, o si no alrededor de una hora.

¿ EL TIEMPO DE DURACIÓN PARA LA REACTIVACIÓN DEL SERVICIO?

ENCUESTA REALIZADA A LOS USUARIOS DE LOS TRANSFORMADORES .

TENSIÓN DE ENTRADA 112 V

NOMBRE DE LA VEREDA

NOMBRE DEL USUARIO

75 kVA TRIFÁSICO

18

YAMID TIRADO

95/30 kV

los problemas del campo.

¿COMO EVITAN QUE SUCEDAN ESTOS DAÑOS?

El único método que nosotros utilizamos es desconectar todos los electrodomésticos incluyendo el teléfono, cuando empieza a llover, porque sabemos que la luz se va.

¿HAN HECHO ALGÚN RECLAMO ANTE LA ELECTRIFICADORA DE SANTANDER?




El servicio de energia eléctrica se va mas o menos de ocho a diez veces al mes, sobretodo cuando llueve, y para el colmo de males aquí llueve muy seguido,

por lo menos de cinco a diez minutos,

en el transformador

Personalmente hice un reclamo por la quema de mi primer televisor pero esta es la hora en que no me han dado la

Nosotros desconectamos todos los aparatos y bajamos los tacos cada vez que empiesa a tronar, preferimos quedarnos sin luz que sin televisor.


respuesta.

la luz por lo general si se va por la tarde tipo 6 -7 no buelve a llegar hasta el otro dia, pero si no esta lloviendo entonces dura


Tuve una quema de un televisor y una gravadora un día que cayo un rayo cerca de la casa y ese dia se bajaron la cuchillas






NOMBRE DEL USUARIO FANY ALVAREZ


NOMBRE DE LA VEREDA PABLO VI

DATOS TÉCNICOS PRIMARIO/SECUNDARIO95/30 kV

NUMEROS DE USUARIOS DEL TRAFO 18


TRANSFORMADOR No. 01CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR 75 kVA TRIFÁSICO




sin servicio de luz

y si nosotros no los llamamos no vienen.

estos, pero si he escuchado muchos casos.

Como no he tenido daños fulminantes en mis equipos no he tenido que poner queja alguna.

Como le respondí anteriormente estoy muy pendiente de cada vez que empieza a llover y desconecto todos los equipos,y si la lluvia es tormentosa entonces bajo los tacos,


La luz se demora en volver, lo que demoren en venir las personas de la electrificadora a subir la cañuelas del transformador


Gracias a que siempre estoy muy pendiente de desconectar los equipos no he tenido el problema de quema de alguno de





La energía eléctrica se va muy seguido en esta zona no puede tronar ni una sola vez porque nos quedamos


NOMBRE DEL USUARIO SANDRA HERNANDEZ


NOMBRE DE LA VEREDA EJIDOS


NÚMEROS DE USUARIOS DEL TRAFO 6






esto pasa unas 15 veces en el mes.

Si, nos quejamos permanentemente ante la electrificadora sin solución alguna, nosotros ya nos cansamos de est estasituación.


Después que tuve esa quema de los equipos, desconecto todos los electrodomésticos de noche, este o no este lloviendo.



Esto es muy demorado sobre todo cuando es de noche, nos toca esperar hasta el otro dia.


Si tuve la quema de una grabadora y un teléfono ambos equipos fueron en un día de tormenta.



La luz nos molesta mucho, no puede caer un rayo así sea en otra vereda y nosotros nos quedamos sin este servicio


NOMBRE DEL USUARIO ANACELI COY









MARCA Zcc CONEXIÓN TIERRA MAGNETRON 7% DY5 11 ?

Siempre que hay tormenta nos quedamos sin luz y nos toca esperar a las personas de la electrificadora que vengan

y ese mismo día hubo daños en otras fincas.

No, siempre queda en veremos cualquier tipo de denuncia y como nosotros somos del campo no nos ponen ningúncuidado.

y la conecten nuevamente, esto pasa por lo menos unas 20 veces o mas al mes.

operario para que nos reconecte la luz.


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que truena, también para mas seguridad bajamos los tacos en la entrada de la casa.



La reconexión del servicio es muy demorada, siempre nos toca llamar a la oficina de la electrificadora y que ellos envíen


Sí, nosotros tuvimos un daño en dos televisores y nadie respondió por esto, fue un día que cayo un rayo en el transformador




NOMBRE DEL USUARIO FLOR VELAZCO









MARCA Zcc CONEXIÓN TIERRA MAGNETRON 7% DY5 11 ?

En este momento el servicio es muy malo, no puede llover ni una sola vez por que se va la luz y siquiera puede tronar

espera a la gente de la electrificadora para que nos solucionen el servicio.

me daño una nevera recién comprada.

Nosotros nos reunimos los de la vereda y pasamos una carta pero eso nunca nos responden, seria bueno que ustedes


intercedieran por nosotros para que nos solucionen esos problemas.

Si, aquí los de la vereda de los ejidios todos hemos tenido quema de algún tipo de electrodoméstico, a mi personalmente se


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que llueve, y los técnicos de la electrificadora nos advierten que bajemos los tacos de la casa.


La reconexión del servicio depende de la rapidez con que vengan los de la electrificadora, a subir las cuchillas del transformador a aunque a veces dura uno todo el día sin el servicio.




por que pasa lo mismo, creo que ese transformador esta malo por que siempre que llueve se bajan las cuchillas y toca


NOMBRE DEL USUARIO MARIELA CRUZ









MARCA Zcc CONEXIÓN TIERRA MAGNETRON 5% DY5 6,9 ?

día tormentoso.

Si, nos quejamos permanentemente ante la electrificadora sin solución alguna, nosotros ya nos cansamos de esta si esta


situación.

La energía eléctrica se va muy seguido en esta zona no puede tronar ni una sola vez porque nos quedamos sin servicio de luz. Esto pasa unas 15 - 20 veces la mes.

Nosotros tuvimos la quema de un televisor y un equipo de sonido y nadie responde por estos daños, esto sucedió en un


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que llueve, y cuando caen rayos tenemos que bajar las protecciones es decir los tacos de la casa.


La reconexion del servicio dura lo que demoren las personas de la electrificadora de santander en venir a reparar los daños





NOMBRE DEL USUARIO EFRAIN SANTAMARIA


NOMBRE DE LA VEREDA CHAPINARO




TRANSFORMADOR No. 04CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR 10 kVA MONOFASICO




causa de un rayo que cayo cerca de nuestra casa.

Yo personalmente no pierdo tiempo en reclamos, eso queda siempre sin solución.



Si, nosotros tuvimos la quema de un televisor y una grabadora y nadie responde por estos daños, esto ocurrió por


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que llueve, por seguridad de nosotros bajamos los tacos de entrada.

el transformador es muy pequeño para tantos usuarios.


La reconexión del servicio dura mucho tiempo, en tiempos de tormenta se demora hasta todo el día.



La energía eléctrica fluctúa demasiado y se pierde el servicio por lo menos unas 15 - 20 veces al mes, dicen que es porque


NOMBRE DEL USUARIO LUIS MOSQUERA






TRANSFORMADOR No. 04CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR 10 kVA MONOFÁSICO




que han tenido quema de aparatos.


Cuando hacemos algún tipo de reclamo nunca tenemos respuesta, por este motivo no reclamamos.


No, siempre estoy pendiente de desconectar los electrodomésticos pero si he escuchado comentario de mis vecinos


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que llueve.


La reconexión del servicio dura mucho tiempo, en épocas de lluvia el servicio es mas malo y duramos todo el día sin el servicio.



El servicio de energía es muy regular, cada vez que truena sabemos que la luz se va y no puedo trabajar en mi taller.


NOMBRE DEL USUARIO BLANCA RUIZ











Nunca hacemos reclamo debido a ausencias de respuesta, por este motivo no reclamamos.


Si, tuvimos una quema de una grabadora que teníamos conectada un día que estaba tronando.


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que llueve y bajo los tacos.


La electrificadora nos demora siempre la reconexión unos 15 - 20 minutos siempre y cuando no este lloviendo,



La luz nos molesta mucho, no puede caer un rayo así sea en otra vereda y nosotros nos quedamos sin este servicio.


NOMBRE DEL USUARIO ALFREDO SANCHEZ










En este momento el servicio es muy malo, no puede llover ni una sola vez por que se va la luz y siquiera puede tronar

estos, pero si he escuchado muchos casos.


Nunca hacemos reclamo debido a ausencias de respuesta, la electrificadora nunca nos responde.

por que pasa lo mismo. Esto ocurre de 12 - 15 veces por mes

Gracias a que siempre estoy muy pendiente de desconectar los equipos no he tenido el problema de quema de alguno de


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que llueve y que caen rayos.


La electrificadora nos demora siempre la reconexión de un día para otro ya que esta es una vereda muy apartada delpueblo.





NOMBRE DEL USUARIO NORBERTO RODRIGUEZ


NOMBRE DE LA VEREDA GUAYABOS








Cada ves que truena se va el servicio y algunas veces también se va así no llueva esto pasa mas o menos unas

que cayo cerca de nuestra casa.

No, siempre queda en veremos cualquier tipo de denuncia y como nosotros somos del campo no nos ponen ningún


cuidado.

Si, nosotros tuvimos la quema de un televisor y nadie responde por estos daños, esto ocurrió por causa de un rayo


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que llueve y que caen rayos.


La reconexión del servicio es muy demorada, siempre nos toca llamar a la oficina de la electrificadora y que ellos envíen operario para que nos reconecte la luz.




15 - 20 veces al mes.


NOMBRE DEL USUARIO ARNALDO PARDO


NOMBRE DE LA VEREDA GUAYABOS









Nunca hacemos reclamación alguna, sabemos que el campo no es de mucho interés para los gobiernos.

sin servicio de luz.

Si, tenemos quemas seguidas de bombillos que se encuentran prendidos y un televisión hace como un mes,


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que caen rayos, también bajo los tacos.


La electrificadora nos demora siempre la reconexión unos 15 - 20 minutos siempre y cuando no este lloviendo,En algunos casos es tan demorado, que dura todo el día.




La energía eléctrica se va muy seguido en esta zona no puede tronar ni una sola vez porque nos quedamos


NOMBRE DEL USUARIO ALICIA MORENO


NOMBRE DE LA VEREDA LIMON








Cada ves que truena se va el servicio y algunas veces también se va así no llueva esto pasa muy seguido

Si, nos quejamos permanentemente ante la electrificadora sin solución alguna, nosotros ya nos cansamos de esta sesta






NOMBRE DEL USUARIO ALVARO MORA






La electrificadora nos demora siempre la reconexión según el clima que este haciendo según esto En algunos casos es tan demorado, que dura todo el día.


No, personalmente nos cuidamos en desenchufar los aparatos y bajar los tacos


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que caen rayos, esto lo hacemos por seguridad de los aparatos y de nosotros mismos.


situación.



MARCA Zcc CONEXIÓN TIERRA MAC NETRO 5% DY5 8,5 ?

El servicio de energía eléctrica es muy malo e inestable, tenemos plantas de emergencia por que no podemos dejar

En vez de perder el tiempo y plata en ir hasta el pueblo, mejor buscamos nosotros mismos las soluciones


Afortunadamente no hemos tenido daños de algún tipo de electrodoméstico.


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que caen rayos, esto lo hacemos por seguridad de los aparatos,


La electrificadora nos demora siempre la reconexión por eso es mejor depender de nosotros mismos y no de ellos En algunos casos es tan demorado, que dura todo el día.




de producir nuestros productos por causa de estas fallas.


NOMBRE DEL USUARIO GERMAN GONALEZ











La luz nos molesta mucho, no puede caer un rayo así sea en otra vereda y nosotros nos quedamos sin este servicio.

Nunca hacemos reclamo debido a ausencias de respuesta, la electrificadora nunca nos responde.

Si, tuvimos una quema de una grabadora y un televisor que teníamos conectada un día tormentoso.


Desconecto todos los electrodomésticos cada vez que caen rayos, esto lo hacemos por seguridad de los aparatos, y también bajamos lo tacos en la entrada


La electrificadora nos demora siempre la reconexión unos 15 - 20 minutos siempre y cuando no este lloviendo,cuando llueve el servicio dura hasta todo el día o toda la noche.




Esto pasa muy seguido en el mes


NOMBRE DEL USUARIO LUIS SARATE



DATOS TÉCNICOS RELACIÓN13.2/0.120 kV






ANEXO B. FOTOGRAFÍAS DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN

TRANSFORMADOR 01.



TRANSFORMADOR 02



TRANSFORMADOR - 03



TRANSFORMADOR – 04















ANEXO C. INFORME VISUAL DEL SOFTWARE SPARD POWER

Documents

Análisis de las fallas de los transformadores de