Coordinación del Aislamiento Parte 2

7/23/2019 Coordinacin del Aislamiento Parte 2

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Coordinacindel AislamientoProf. Juan Bautista U NI FIEE

Exposicin para uso estrictamente acadmico y por tanto no secomercializa, y preparada tomando como base el Proyecto de Tesis para

obtener el ttulo profesional de Ingeniero Electricista de la candidata:

Nthali Morales Mario, de la Escuela Politnica Nacional de Quito -

Ecuador


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Prof. Juan Bautista

Elementos de Proteccin ante Sobretensiones


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Los elementos para proteccin contra

sobretensiones protegen a los equiposelctricos contra tensiones transitorias,

descargando a tierra las corrientes de impulso,

permitiendo la circulacin de la corriente defrecuencia industrial posterior al transitorio

(corriente subsiguiente) y con la capacidad de

repetir su funcin.


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Funciones del dispositivo de proteccin:

Comportarse como un aislador mientras la tensin aplicada no supere unvalor determinado, superior a la tensin mxima del sistema.

Comportarse como un conductor para descargar a tierra la onda de

corriente producida por la sobretensin.

Interrumpir la conduccin de la corriente a tierra una vez que la

sobretensin ha desaparecido del sistema y se ha restablecido la tensin

nominal.

No debe operar con sobretensiones temporales a frecuencia industrial.


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Las tensiones y sobretensiones a considerarse con respecto al

uso de los dispositivos de proteccin son:

Tensin normal de funcionamiento (tensin ms elevada del sistema).

Sobretensiones temporales (TOV),

Sobretensiones de frente lento (sobretensiones por maniobra),

Sobretensiones de frente rpido (sobretensiones atmosfricas).


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Limitar este tipo de sobretensiones implicara unaalta absorcin de energa del pararrayos, debido altiempo de permanencia de la sobretensin

la amplitud de la sobretensinpodra superar a la tensinsoportada por los equipos.

Sobretensiones : rangos de duracin y amplitud y la relacin entre ellas con las

tensiones limitadas por el pararrayos y las tensiones soportadas por el aislamiento

del equipo.


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En subestaciones con voltajes correspondientes al Rango II, a

diferencia de los sistemas del Rango I, a ms de lassobretensiones por descargas atmosfricas directas sobre las

lneas se debe considerar las sobretensiones por maniobra,

puesto que stas alcanzan magnitudes importantes conforme

aumenta la tensin nominal del sistema.

De aqu que, en subestaciones con UN=500kV, la presencia de

sobretensiones atmosfricas o de maniobra pone en riesgo al

equipo y por tanto al suministro de energa.


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Existen dos tipos de elementos de proteccin estandarizados de acuerdo con la

Norma IEC 71-2:

Pararrayos tipo resistencia no lineal con

explosores en serie.

Pararrayos de oxido metlico (xido de zinc)

sin explosores.

No son la nica alternativa de proteccin.


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Por qu son necesarios los pararrayos?


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En sistemas con neutros slidamente conectados a tierra y con poca

presencia de sobretensiones temporales, el uso de pararrayos de oxido metlico

sin explosores se ha extendido en gran manera, debido a su caracterstica deproteccin superior ante sobretensiones de frente lento.

Los pararrayos con explosores se adaptan mejor para la proteccin de sistemas con

neutro aislado o con conexin a tierra resonante, en los que las sobretensionestemporales debidas a fallas a tierra pueden llegar a ser de larga duracin. As como

para la proteccin de redes en el Rango I y en particular en sistemas con tensiones

correspondientes a las ms bajas de este rango. Sin embargo, en la actualidad los

pararrayos de xido de zinc son los ms usados, razn por la cual han desplazado a

los pararrayos basados en explosores que casi ya no se fabrican y estn saliendo delmercado.


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Por ejemplo si el sistema en estudio corresponde a500 kV (Rango II), y con neutro slidamente

conectado a tierra, el dispositivo de proteccin contra

sobretensiones compatible con las caractersticas delsistema es el pararrayos de xido metlico sin

explosores.


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Se basan en el uso de resistencias de

xido metlico, en su gran mayora,xido de zinc.

La principal caracterstica de lasresistencias de xido metlico es la

extrema no linealidad de su relacin

voltaje corriente.

1. PARARRAYOS DE XIDO METLICO SIN

EXPLOSORES. (SEGN NORMAS IEC )


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Por tanto, el comportamiento del

pararrayos varia segn la corrienteque circule a travs de l.

Y las corrientes a travs delpararrayos en condiciones de tensin

de frecuencia industrial sern tan

pequeas que se comporta como un

aislador.


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Al contrario, si las corrientes que

circulan a travs del pararrayos son

corrientes de impulso en el orden dekAmp, (corrientes debido

sobretensiones atmosfricas o de

maniobra), el pararrayos se comportacomo un conductor, descargando a

tierra estas corrientes y haciendo que

la tensin resultante en sus terminalesno sea excesivamente alta.


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Curva voltaje corriente para un pararrayos de xido metlico, en

donde se puede apreciar la no linealidad.


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En la Figura siguiente se

identifican dos zonas de

operacin del pararrayos, laprimera esta relacionada con

tensiones de frecuencia industrial

en la zona de bajas corrientes yla otra corresponde a la zona de

proteccin, en donde se tiene

corrientes altas (orden de kA),debidas a las sobretensiones.

Pararrayos 800kV


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20/168


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O de rgimen permanente

del pararrayos.

Tensin asignada

La corriente nominal de descarga puede ser a

impulsos de maniobra o a impulsos atmosfricos.Esta ltima corresponde a corrientes de frente

rpido.

Es menor que la tensin de aguante del equipo protegido


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Aqu las corrientes a t ravs del pararrayos son

pequeas comparadas con las corrientes de descarga,

su duracin es mucho mayor, razn por la cual, el

esfuerzo trmico del pararrayos en la zona de

frecuencia industrial es ms crtico que en la zona de

proteccin.

Existen otras caractersticas que dependen de lascondiciones particulares de operacin, y deben tambin

ser consideradas, estas son: la clase de descarga de

lnea, la clase de alivio de presin, el comportamiento

bajo contaminacin, la facultad de limpieza bajo tensin y

las propiedades mecnicas.


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El pararrayos deber ser identificado

por sus datos de placa con lassiguientes especificaciones mnimas:

Voltaje de operacin continua.

Tensin asignada. Frecuencia asignada (si difiere de las

frecuencias estndar: 50 y 60 Hz).

Corriente nominal de descarga.

Corriente sostenida de corto circuito

asignada en kA.

Pararrayos 800kV


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Nombre del fabricante y cdigo de identificacin.

Identificacin de la posicin de los elementos parael ensamblaje (aplicable slo en pararrayos con

varios elementos).

Ao de fabricacin.

Nmero de serie.

Clase de descarga de lnea (opcional).

Nivel de soporte a la contaminacin del

revestimiento del pararrayos (opcional).


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Analizemos de cada una

de estas caractersticas ylos criterios para su

seleccin.

Ojo los pararrayos se

instalan entre fase ytierra.

Fase

A tierra


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1.1 Voltaje de operacin continua del pararrayos (Vc).

Valor mximo permisible de voltajesinusoidal rms de frecuencia industrial quese puede aplicar continuamente entre losterminales del pararrayos, sin presentarproblemas trmicos.

Vc (pico) > Voltaje pico ms elevado de operacinen el sitio de ubicacin del pararrayos. En caso deque el vol taje ms elevado de operacin al sitio delpararrayos no se conozca con precisin, se debeconsiderar la tensin ms elevada del sistema (Vs)o la tensin ms elevada para el equipo (Vm).

Vc


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Como regla general, se debe cumplir que el voltaje de

operacin continua del pararrayos debe ser:

,

2

s f t

c

VV

,

2

m f t

c

V

V


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scV V

mcV V


30/168

,1.05

2

s f t

c

VV

1.053

sc

VV


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1.2. Tensin asignada (nominal) de un

pararrayos segn norma IEC (Vr).

Es el mximo valor rms de frecuencia industrial

que al ser aplicado durante 10 s entre losterminales del pararrayos no altera el correcto

funcionamiento del mismo

Vr se relaciona con la capacidad del pararrayospara soportar sobretensiones temporales. Algunosfabricantes especif ican este valor como TOV ocapacidad de sobretensiones temporales y por logeneral se lo define para 1 y 10 s.

Vr

La tensin asignada sirve como parmetro de referencia para la

especificacin de la caracterstica de comportamiento del pararrayos

bajo tensin de frecuencia industrial en funcin del tiempo.

1.25r cV V

Vc


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La tensin nominal o asignada se determina en funcin de las

sobretensiones temporales en el punto de ubicacin del

pararrayos, considerando, tanto sus amplitudes as como sus

tiempos de duracin.

El principal requisito a ser cumplido es que la caractersticade comportamiento del pararrayos bajo tensin de frecuencia

industrial en funcin del tiempo sea mayor que la

caracterstica de amplitud de la sobretensin temporal en

funcin tiempo del sistema..


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Resumen de las principales causas, amplitudes y tiempos de

duracin de las sobretensiones temporales ms importantes a

ser consideradas:


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Una sucesin de causas de sobretensiones

temporales, como por ejemplo, el rechazo de carga

como consecuencia de una falla de la tierra, se debenconsiderar nicamente si ambas sobretensiones

tienen una severidad comparable.

En este caso, la cantidad de carga rechazada

depender de la ubicacin de la falla, y la ubicacin

del pararrayos deber ser analizada con mayorcuidado.


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La expresin siguiente es una aproximacin

que permite convertir la caracterstica deamplitud versus duracin de las sobretensiones

temporales con una duracin de entre 0.1 a

100s, a una amplitud equivalente Veq con unaduracin de 10s y que por lo tanto corresponde

a la capacidad de sobretensin temporal que el

pararrayos debe ser capaz de soportar.


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Con esto se permite cumplir con el criterio que para

una caracterstica de amplitud de sobretensintemporal en funcin del tiempo dada, se deber

seleccionar una caracterstica de comportamiento del

pararrayos ms alta, esto significa que la capacidad

de sobretensiones temporales del pararrayos debe ser

mayor o igual que la sobretensin temporal

equivalente ms elevada obtenida de la expresin

siguiente.


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10

m

teq t

TV V

0.018; 0.022m

0.02mediom


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Se recomienda aplicar un margen de seguridad (5% a 15%)

entre la sobretensin temporal equivalente mxima y la

tensin asignada (TOV) con el propsito de cubrir posiblesimprecisiones del valor de la sobretensin temporal.

Los valores estandarizados de las tensiones asignadas segn

normas IEC se establecen segn la Tabla siguiente en donde

los valores estandarizados se definen a travs de un nmero

de pasos iguales dentro de gamas especificadas de voltaje.


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En el caso de que se requiera un nivel de proteccin

inferior al del pararrayos seleccionado, se puede elegiruna tensin asignada menor a las sobretensiones

temporales equivalentes de duracin 10s, tomando en

cuenta que el pararrayos debe tener la capacidad de

absorber la energa debida a eventos en el sistema.

En tal caso, se deben efectuar clculos de absorcin

de energa simulando los eventos en la red.


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El concepto de tensin nominal que usa el fabricante

es congruente con el dado por la norma. Es decir, la

tensin nominal est relacionada con la capacidad

que tiene el pararrayos de operar frente a las

sobretensiones temporales del sistema en un

perodo definido de tiempo.

Sin embargo el procedimiento empleado por el

fabricante para definir el valor de la tensin nominalest basado en criterios prcticos.

1.3. Tensin nominal del descargador (Vr).


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,min 1.25r cV V


43/168

,

,min 1.25 1.05

2

s f t

r

VV x

,min 1.25 1.05

3

s

r

VV x


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El factor kTOV se define como la relacin entre el valor eficaz dela tensin admisible de frecuencia industrial (TOV) y el valor

eficaz de la tensin nominal del pararrayos. Entonces, latensin nominal se puede determinar en funcin de TOV y

kTOV, tal como se indica en la expresin. La ventaja de estaexpresin es que se puede aplicar para varios tipos de

sobretensiones temporales y de diferente duracin.

min

TOV

Valor rms

Tensin admisible

de frecuencia industrial TOV

k

Tensin No al

del Pararrayos


45/168

El segundo criterio se apega un poco ms a la

definicin de tensin nominal dada en la norma, puesto

que el clculo para la determinacin de Vr se hace enfuncin de las sobretensiones temporales (TOV) del

sistema, considerando su amplitud y duracin. Para

esto el fabricante proporciona curvas que permitendeterminar un factor de sobretensiones temporales

(kTOV) en funcin del tiempo de duracin de la

sobretensin.


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Curva tpica de la relacin kTOV versus tiempo: a mayor sobretensin temporal menor es el tiempo que puede ser aplicadasobre el pararrayos.

La tensin nominal puede aplicarse por un lapso de 100 s y que sobretensiones de 10s y 1s corresponden a tensiones7.5% y 15% mayores que la tensin nominal, respectivamente. Es aqu donde se puede apreciar la diferencia de conceptosentre la norma y el fabricante.

+7.5%

+15%


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Si la sobretensin excede el tiempo establecido segn la curva

se tendr un elevado incremento en la temperatura del

descargador, pudiendo llevarlo a inestabilidad trmica.

Para la seleccin final de la tensin nominal del pararrayos, se

evalan las dos expresiones:

,min 1.25

r cV V


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Esta ltima podr ser calculada para varias

sobretensiones temporales independientemente, encaso de contar con esta informacin, o para la peor

condicin asumida de sobretensin temporal, quepara

sistemas con neutro rgido a tierra corresponde a unfactor de falla a tierra k = 1.4 y una duracin de 10s. Al

final la tensin nominal del pararrayos ser el valor

normalizado correspondiente al mayor valor de todoslos calculados.


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1 4 N IEC f b i t


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1.4. Norma IEC vs fabricantes.

Al comparar la definicin y el mtodo de determinacin

de la tensin nominal de un pararrayos dada en lanorma con lo expuesto por los fabricantes (ABB y

Siemens), se puede identificar que si bien ambos

relacionan a la tensin nominal con la capacidad delpararrayos para soportar sobretensiones temporales,

difieren en el perodo de tiempo en que la tensin

nominal puede ser aplicada.


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Segn la norma la tensin nominal es la mxima tensin que se puede aplicar

al pararrayos por un perodo de 10 s, y en base a esto se calcula Vr con la

expresin:

Por otro lado, de las curvas k tov vs tiempo dadas por el fabricante se puedever que la tensin nominal puede ser aplicada por un perodo de 100 s.

10

m

teq t

TV V


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Entonces la norma describe un perodo de

referencia de 10 s y el fabricante uno de100 s. Esto da como resultado que la

tensin nominal calculada por la norma >que la calculada segn el fabricante, ya

que a menor tiempo mayor ser la tensin

aplicable.


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Por ello segn la curva de ktov se podra

aplicar una tensin 7.5% mayor que latensin nominal por un periodo de 10 s.

Mientras que segn la norma durante 10 s

la mxima tensin aplicable es la nominal.


55/168

El fabricante suele presentar tablas en las

que para cada tensin nominal de red seespecifican varios valores de tensiones

nominales Vr, tensiones de funcionamiento

continuo mximas Vc y tensiones decapacidad de sobretensiones temporales

(TOV) para 1 y 10 segundos.


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La dos Tablas siguiente muestran datos tpicos del fabricante. Para estos casosbien se podra relacionar el concepto dado en la norma y a la expresin, con lo que el

fabricante denomina en sus catlogos como Capacidad de Sobretensiones

Temporales para una duracin de 10 s.

Debido a que en la prctica se deber elegir al pararrayos conforme a los

catlogos de los fabricantes y tomando en cuenta que sus criterios han sido

probados y avalados en aplicaciones prcticas, se usar la metodologa de

clculo propuesta por el fabricante en la determinacin de la tensin nominal delpararrayos.

En las dos tablas siguientes adems de la tensin nominal o asignada se

especifica una tensin TOV que es la que correspondera a la tensin


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especifica una tensin TOV que es la que correspondera a la tensin

asignada definida segn la norma IEC.


58/168

1.5. Corriente nominal de descarga In


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1.5. Corriente nominal de descarga In

In es el valor pico deuna corriente tipo rayo

normalizada de 8/20

seg, y sirve parahacer una clasificacin

de los pararrayos,

segn se muestra en

la Tabla siguiente.

Es el principal parmetro

para establecer el nivel de

proteccin y la capacidad

de absorcin de energa

de un pararrayos

In

Cl ifi i d l P d O id M tli


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Clasificacin de los Pararrayos de Oxido Metlico


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In se elige en funcin de la corriente de

descarga tipo rayo que atraviesa elpararrayos, para la cual se busca la proteccin

del equipo.

Se debe de considerar que la corriente que llega

hasta el pararrayos para ser descargada a tierra

siempre ser inferior que la corriente del rayo.


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Esto se debe principalmente a dos razones:

1. La primera se basa en estudios que establecen quela probabilidad de que el valor pico de una corriente

debida a una descarga atmosfrica sobre un

conductor de fase tenga valores mayores a los 20kA es baja, por esta razn se tiene valores

normalizados de corrientes de descarga de hasta 20

kA.

Nota aparte: Se muestra los valores de la probabilidad de que unacorriente debida a una descarga atmosfrica exceda un valor


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corriente debida a una descarga atmosfrica exceda un valor

determinado.


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Dando valores de I dentro el rango establecido

se puede calcular el valor de P. La Figura

siguiente muestra la curva de la probabilidad

en funcin de la corriente I, de donde

claramente se puede notar que la probabilidadde que un impulso de corriente debido a una

descarga atmosfrica tome valores mayores a

20 kA es baja.


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La segunda contempla el hecho de que alpresentarse una descarga atmosfrica directa

sobre un conductor de fase, las ondas decorriente que se propagarn a lo largo de la

lnea provocarn en la mayora de los casos el

flameo de su aislamiento, derivando a tierra

parte de la corriente y haciendo que la onda de

corriente que llega hasta la subestacin sea unaonda de corriente reducida.


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La probabilidad de que una descarga

atmosfrica golpee al conductor de fase

en el vano adyacente a la subestacin es

muy baja debido a su alto nivel de

apantallamiento, de ah que la onda decorriente deber pasar por al menos una

cadena de aisladores antes de alcanzar la

subestacin.


68/168

La experiencia ha demostrado que un nivel de

proteccin confiable en sistemas del Rango II se

consigue al seleccionar la corriente nominal dedescarga bajo los criterios:

Para tensin ms elevada 420 kV, se

considera suficiente el uso de pararrayos con

una corriente nominal de descarga de 10 kA.


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Para sistemas de tensin mselevada > 420 kV, se considera que

puede ser necesario el uso de

pararrayos de 20 kA.

1.6. Nivel de proteccin del pararrayos.


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El nivel de proteccin est asociado con el

valor pico de la tensin que aparece entre

los terminales del pararrayos durante la

circulacin de la corriente de descarga, a

esta tensin se la denomina tensinresidual (Vres) o tensin de descarga. Los

niveles de proteccin se especifican para

impulsos tipo rayo y tipo maniobra.


71/168

Nivel de proteccin ante un impulso tipo rayo

se define como el mximo valor de tensin residual a corriente nominal dedescarga y se aplica para la proteccin de los equipos contra sobretensiones

de frente rpido, como es el caso de las sobretensiones por descargas

atmosfricas.

La eficacia de la proteccin ante tales sobretensiones, es funcin del tiempo

de retraso en el mecanismo de conduccin de los varistores.

El fabricante en sus catlogos asocia valores para el nivel de proteccin a

impulsos atmosfricos con cada valor de tensin asignada especificado.


72/168

El nivel de proteccin a un impulso de maniobra se define como elmximo valor de tensin residual a corrientes de impulso de maniobra y se aplica en la

proteccin del equipo contra sobretensiones de frente lento. La Tabla siguiente muestra

las corrientes de impulso de maniobra para las cuales se especifica un nivel deproteccin.


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Valores tpicos de las mximas tensiones residuales ante corrientes deprueba tipo rayo y tipo maniobra.


74/168

Tener presente que el nivel de proteccin de un

pararrayos representa una tensin entre sus

terminales producto de la circulacin de una corrientenormalizada de prueba cuyo valor corresponde a la

corriente nominal de descarga.

Esto significa que la tensin en los terminales del

equipo a proteger no es igual al nivel de proteccin,

sino que puede ser considerablemente mayor.


75/168

Esto se debe al efecto de reflexin y

superposicin de las ondas de sobretensin enfuncin de la distancia de separacin entre el

pararrayos y el equipo, y a la posibilidad de

tener corrientes de descarga mayores que lacorriente nominal, situacin menos probable.Este hecho deber ser considerado en el proceso

de coordinacin de aislamiento.


76/168

Notar que para un tipo especfico de resistencia de

xido metlico los valores de tensin de operacin

permanente, tensin nominal y tensin residual seajustan a una relacin fija, segn la curva voltaje

corriente (V-I) de la resistencia.

Esto implica que no se puede disminuir o aumentar

alguno de estos valores aisladamente, sin influir sobre

los otros.


77/168

Por ejemplo, el disminuir el valor de nivel

de proteccin implica desplazar la curva V-

I hacia abajo y por lo tanto, disminuir

tambin el voltaje de operacin

permanente y la tensin nominal, lo cualinvolucra una condicin de menor

estabilidad en la operacin a frecuencia

industrial.


78/168

Para conseguir bajos niveles de proteccin sin alterar

los valores de la tensin nominal y de operacin

continua, se deber tener una relacin entre el nivel deproteccin y la tensin nominal tambin baja, lo que se

traduce en una curva V-I ms plana.

Esto se consigue fsicamente al aumentar la seccin

de las pastillas de xido de zinc.


79/168

Entonces,para una tensin nominal dada, se podr disminuir el nivel de

proteccin bajo la condicin de tener resistencias de xido de zinc de mayor

dimetro.

Bajo esta premisa, es factible que para una tensin nominal y de operacin

continua definidas se tenga varios niveles de proteccin.

De hecho el fabricante en sus catlogos especifica varios valores de nivel deproteccin para un mismo valor de tensin asignada.

1.7. Clases de descarga de lnea.


80/168

Se identifica como un nmero

relativo a la capacidad deabsorcin de energa de los

pararrayos de 10 y 20 kA,aplicables para la descarga de

lneas de gran longitud.

1.7. Clases de descarga de lnea.


81/168

De acuerdo con la norma IEC 60099-4 se

definen cinco clases para las que, al

incrementar el nmero de clase se incrementatambin la capacidad de absorcin de energa

del pararrayos, as para lospararrayos de 10 kA

se definen las clases de 1 a 3, mientras queparapararrayos de 20 kA se definen las clases

4 y 5.


82/168


83/168

Presentamos ahora las

expresiones que permiten evaluarla energa a ser absorbida por el

pararrayos segn el tipo desobretensin y en funcin del nivel

de proteccin.


84/168


85/168


86/168


87/168

En la prctica la capacidad de absorcin de energa del pararrayos se

define nicamente en funcin de la expresin 2.16. Esto se debe a que las

sobretensiones generadas por el cierre y recierre de lneas son las

sobretensiones de frente lento ms severas en sistemas del Rango II y por lo

tanto exigen mayor capacidad de absorcin.

Criterio que es compartido por el fabricante, quien tambin considera la

misma expresin. Sin embargo, en caso de que se conozca todos losparmetros que permiten evaluar las expresiones es recomendable hacerlo.


88/168

Para sistemas del Rango I en

dnde la energa debida aoperaciones de maniobra es baja,

la capacidad de absorcin serdeterminada por sobretensiones

debidas a descargas atmosfricas.


89/168

Los parmetros de la expresin

deben ser determinados para

el sistema en estudio.

No obstante en caso de no tener informacin

especfica se puede usar valores tpicos segn

el tipo de sistema.


90/168

La Tabla siguiente muestra valores tpicos de impedancia

caracterstica en funcin del voltaje nominal del sistema.


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92/168

El nivel de proteccin del pararrayos se elige de

la informacin otorgada por el fabricante y eltiempo de propagacin de la onda se calcula en

funcin de la longitud de la lnea y la velocidad

de propagacin cuyo valor tpico esaproximadamente:

velocidad del rayo = velocidad de la luz = 0.3 km/s


93/168

La energa absorbida por el pararrayos ser mayor conforme menor sea el nivel de

proteccin del pararrayos.

Una vez calculada la energa que el pararrayos debe ser capaz de absorber, se debe

calcular la energa especfica, dividiendo la energa a ser absorbida para el valoreficaz de la tensin nominal. Esto es:

El valor resultante para la energa especfica calculado a partir de la

expresin, se debe entonces comparar con los valores normalizados

mostrados en los catlogos de fabricantes para as seleccionar la clase de

descarga de lnea correspondiente a un valor de energa especfica de al menosel valor calculado.


94/168

Por otra parte, las pruebas de descarga de lnea

segn la Norma IEC 60099-4, que un pararrayos

especificado para dicha norma debe cumplir,consisten en aplicar al pararrayos impulsos de

corriente para simular su descarga,

considerando condiciones exigentes deabsorcin de energa para as cumplir

satisfactoriamente con las condiciones reales

del sistema.


95/168

Para esto se considera la expresin junto con los parmetros

expuestos en la Tabla. La capacidad de absorcin de energa del

pararrayos deber ser mayor o igual que el doble del valor de

energa especfica calculado en funcin de la expresin.


96/168


97/168


98/168

En caso de que la absorcin de energa

requerida sea mayor que la capacidad de

absorcin de energa del pararrayosseleccionado, se recomienda elegir una

corriente nominal de descarga ms elevada, o

una clase de descarga de lnea superior. Otraopcin es aumentar la tensin nominal del

pararrayos tomando en cuenta que se respeten

los niveles de proteccin adecuados.

1.8. Clase de alivio de presin.


99/168

Se refiere a la capacidad de corriente de

cortocircuito del pararrayos, es decir, a lacapacidad de soportar corrientes de falla

internas sin producir la explosin violenta

de su revestimiento o cubierta, ya que estopodra ocasionar daos a los equipos

circundantes o daos personales.


100/168

Por lo tanto, el criterio para la

especificacin de un pararrayos serseleccionar una clase de limitador de

presin mayor o igual a la mximacorriente de falla que se pueda

presentar.


101/168

A pesar que en la prctica el tener una corriente de corto

circuito circulando a travs del pararrayos es un evento muy

poco probable, los descargadores cuyo revestimiento esfactible de explotar cuentan con dispositivos de alivio de

presin cuyo objetivo es trasladar la descarga interna, producto

de la corriente de falla, hacia la parte externa del pararrayos

para liberar al revestimiento de la alta presin que los gases

ionizados producto de la descarga ejercen sobre l, evitando

as su violenta explosin.

L di iti d li i d i i t d


102/168

Los dispositivos de alivio de presin consisten de

diafragmas que permiten evacuar los gases ionizados

del interior del pararrayos. La Figura muestra eldiafragma como parte del sistema de sallado y el

proceso de alivio de presin en un pararrayos

E i i i d


103/168

Existen pararrayos cuyo revestimiento es de

tipo polimrico y se encuentra colocado

directamente sobre la columna de resistenciashaciendo nulo el riesgo de explosin, en este

caso el revestimiento se rasga con facilidad

para permitir la salida de la descarga al exteriorhaciendo innecesario el sistema de sellado y de

alivio de presin.

E l i d l t i


104/168

En cualquiera de los casos, posterior a un

evento de esta naturaleza es necesario sustituir

al pararrayos.

Dado que no todos los pararrayos cuentan con

un dispositivo de alivio de presin, ladenominacin de clase de alivio de presin se

ha visto remplazada por la de capacidad de

corto circuito del pararrayos.


105/168


106/168

2. CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO.

Los pararrayos especificados bajo la


107/168

Los pararrayos especificados bajo la

Norma IEC60099-4 cumplen con las

siguientes condiciones normales defuncionamiento:

Temp. ambiente entre -40C y +40C

Radiacin solar mxima: 1.1 kW/m2

Altura no mayor a 1000 msnm.

F i d l f t d li t i t 48 62 H


108/168

Frecuencia de la fuente de alimentacin entre 48 y 62 Hz.

La tensin de frecuencia industrial aplicada continuamente

entre los terminales del pararrayos no debe superar a la tensinde operacin continua del mismo.

Condiciones mecnicas (bajo consideracin, verificar con elfabricante).

Condiciones de contaminacin (La norma no ha definido anrequisitos).

Velocidad del viento menor a 34 m/s.

Montaje vertical.

Por lo tanto durante la seleccin del pararrayos


109/168

Por lo tanto durante la seleccin del pararrayos,

es necesario verificar que se cumpla con las

condiciones antes descritas.

En caso de no cumplir con alguna de estas

condiciones, se deber solicitar al fabricante unpararrayos apropiado para operar bajo las

condiciones reales al sitio de instalacin.


110/168

En laprctica es comn que el

fabricante supere los requisitos de

la norma en sus modelos

estndares.

El criterio general para la seleccin de un

3. PRINCIPIOS DE SELECCIN Y APLICACIN DELPARARRAYOS.


111/168

El criterio general para la seleccin de un

pararrayos es analizar y contrastar las

caractersticas del descargador con losrequerimientos del sistema en estudio. Las

caractersticas a ser analizadas se han dividido

en dos grandes grupos que son:

Las caractersticas elctricas.

Las caractersticas mecnicas y medioambientales.

Las caractersticas elctricas corresponden con las

3.1 Caractersticas Elctricas


112/168

caractersticas descritas en la seccin anterior. La Figura

muestra la relacin que debe existir entre los parmetros del

sistema frente a los parmetros del pararrayos.

Se puede observar que el voltaje de operacin


113/168

Se puede observar que el voltaje de operacin

continua del pararrayos (Vc) debe ser mayor que la

tensin mxima del sistema (Vs), que el pararrayosdebe ser capaz de soportar las sobretensiones

temporales que se puedan presentar y que los

niveles de proteccin del pararrayos frente a

descargas atmosfricas y de maniobra (Vpl y Vps)

sean inferiores a los niveles de aislamiento

respectivos (Vwl y Vws).


114/168

Procedimiento recomendado para laseleccin del pararrayos.

1. Determinar el voltaje de operacin continua del


115/168

1. Determinar el voltaje de operacin continua del

pararrayos en funcin de la tensin ms elevada del

sistema.

2. Determinar la tensin asignada o nominal (Vr) en

funcin de las sobretensiones temporales del sistema.

3. Estimar la magnitud de las corrientes de descarga de

rayo que se prev atravesarn al pararrayos as como los

requerimientos de descarga de lnea para proceder a

seleccionar la corriente nominal de descarga.

4. Determinar las caractersticas de capacidad de

absorcin de energa y clase de descarga de lnea.

5. Seleccionar la clase de limitador de presin en funcin

de la corriente de falla esperada.

6. Seleccionar un pararrayos que satisfaga con los requerimientos hasta aqu

analizados.


116/168

7. Determinar y seleccionar las caractersticas de proteccin del pararrayos ante

impulsos tipo rayo y tipo maniobra.

8. Ubicar al pararrayos tan cerca como sea posible del equipo a ser

protegido.

9. Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulsos de maniobra, tomando

en cuenta las sobretensiones de frente lento representativas.

10. Determinar la tensin soportada de coordinacin a impulsos tipo rayo,

tomando en cuenta:

o La sobretensin por descarga atmosfrica incidente representativa

determinada por el comportamiento de la lnea conectada al pararrayos frete

a la descarga atmosfrica y una tasa de falla aceptable para el equipo

protegido.

o La configuracin de la subestacin.

o La distancia entre el pararrayos y el equipo a proteger.

11 Determinar los niveles de aislamiento estandarizados


117/168

11. Determinar los niveles de aislamiento estandarizados.

12. En caso de que se desee que el nivel de aislamiento

estandarizado del equipo sea inferior que el obtenido, serecomienda considerar opciones tales como: la eleccin de un

voltaje de operacin continua menor, una tensin asignada

menor, una corriente nominal de descarga mayor y una clase de

descarga de lnea mayor que las originalmente obtenidas,sin perder de vista que una tensin asignada inferior puede

disminuir la confiabilidad del pararrayos. Otra opcin es reducir

la distancia entre el pararrayos y el equipo a proteger.


118/168

Los puntos del 9 al 12 de este

procedimiento una parte delprocedimiento de coordinacin de

aislamiento.

Procedimiento recomendado para la seleccin del pararrayos.


119/168


120/168

Proteccin contra sobretensiones temporales.

En la prctica los pararrayos no limitan sobretensiones


121/168

En la prctica los pararrayos no limitan sobretensiones

temporales, por lo que no se consideran dentro de las

caractersticas de proteccin. Salvo casos especiales,como es el de sobretensiones temporales por

resonancia, que ameritan el uso de pararrayos para

limitar e incluso prevenir la sobretensin. Bajo estascircunstancias se debe tener cuidado con la capacidad

de absorcin de energa trmica para no sobrecargar

al descargador.

Proteccin contra sobretensiones de frente lento .

Esta consideracin es nicamente relevante en sistemas del Rango II

puesto que para sistemas de voltaje inferior el nivel de aislamiento del equipo


122/168

p q p j q p

es lo suficientemente alto como para hacer innecesaria la proteccin contra

las sobretensiones de frente lento.

Los pararrayos de xido metlico sin explosores son apropiados para la

proteccin de sobretensiones de frente lento debidas a energizacin y

recierre de lneas o a la conmutacin de corrientes inductivas o capacitivas,

mas no as para las sobretensiones originadas por fallas o despeje de fallas atierra, debido a que stas tienen amplitudes inferiores al nivel de proteccin.

El pararrayos limita la sobretensin fase tierra a un valor de

aproximadamente el doble del valor eficaz de su tensinnominal.

Para la proteccin contra sobretensiones de frente


123/168

lento, el conocer con exactitud la amplitud de la

corriente a travs del pararrayos no es de crucialimportancia debido a la extrema no linealidad de los

resistores de xido metlico.

Para sobretensiones debidas a energizacin o

recierre de lneas, se producen corrientes de

descarga de entre 0.5 kA a 2 kA de amplitud a travs

del pararrayos.

Otro factor que no tiene influencia en la proteccin contra estas


124/168

Otro factor que no tiene influencia en la proteccin contra estas

sobretensiones es el frente escarpado en las ondas viajeras, lo

cual implica que la distancia de separacin entre el pararrayos ylos equipos dentro de la subestacin tampoco se tome en

cuenta. Por lo tanto, la tensin que aparece en los bornes del

equipo se considera igual a la tensin limitada en los bornes del

pararrayos, es decir, el valor asumido como mximo para lasobretensin representativa de frente lento, para un equipo

dentro de la subestacin, ser igual al nivel de proteccin a

impulsos de maniobra del pararrayos.

Para sobretensiones fase fase el valor de


125/168

sobretensin representativo puede considerarse

mayor que el doble del nivel de proteccin, en el casode no tener pararrayos conectados entre fases.

El nivel de proteccin del pararrayos relacionado con

la amplitud de la sobretensin de frente lento servirpara definir el nivel de aislamiento. Esta relacin se

detallar en el proceso de coordinacin de aislamiento

a tratarse en el siguiente captulo.

Debido a la alta tasa de crecimiento de la pendiente del frente de onda de

estas sobretensiones, los efectos de propagacin de la onda entre el

3.1.3. Proteccin contra sobretensiones de frente

rpido.


126/168

pararrayos y el equipo a proteger deben ser tomados en cuenta y la

distancia de separacin entre ellos juega ahora un papel importante. Como

regla general, ocurre que el voltaje en el equipo protegido es mayor que latensin residual del pararrayos. Es por esto que se recomienda

reducir al mnimo posible la distancia de separacin entre

el pararrayos y el equipo con mayor prioridad de proteccin, ms anen el caso de no tener instalados cables de guarda. Es posible proteger ams de un equipo con un mismo pararrayos siempre y cuando se limite la

pendiente de la sobretensin, ya que con esto se consigue tener corrientes

de descarga y tensiones residuales menores. Esta condicin se presenta al

tener un apantallamiento confiable tanto de la subestacin as como de laslneas asociadas a ella.

Se recomienda reducir al mnimo posible la distancia de separacin

entre el pararrayos y el equipo


127/168

Las tensiones que entran a la subestacin

provenientes de lneas protegidas con cables de


128/168

provenientes de lneas protegidas con cables de

guarda tienen amplitudes y pendientes de frente de

onda menores que aquellas que provienen de lneas

sin apantallamiento. Por esta razn en lneasapantalladas es factible tener mayores distancias

de separacin entre los pararrayos y elaislamiento a ser protegido, caso contrario esnecesario reducir al mximo tales distancias.

Para el caso de una nica lnea area protegida por cable de

guarda, un juego de pararrayos puede colocarse en un punto


129/168

g , j g p y p p

que permita la proteccin de todos los equipos, dando

preferencia al transformador.

En caso de tener varias lneas areas no apantalladas entrando

a la subestacin, la amplitud y pendiente de las ondas de

sobretensin incidentes se disminuyen por efecto de divisin dela onda, no obstante su frecuencia de aparicin aumenta.

Para proveer una proteccin suplementaria, se puede instalar

pararrayos a las entradas de lnea.

Debido a que la distancia de separacin entre el

l i t d b id


130/168

pararrayos y el equipo a proteger debe considerarse,

existe dos alternativas para la aplicacin del pararrayosen la proteccin del equipo contra sobretensiones de

frente rpido o tipo rayo, estas son:

a) Determinar la tensin soportada de coordinacin a

impulsos tipo rayo, teniendo como datos:

1. el nivel de proteccin y

2. la distancia de separacin del pararrayos.

b) Determinar la zona de proteccin del pararrayos es


131/168

b) Determinar la zona de proteccin del pararrayos, es

decir, la mxima distancia de separacin para la cualse cumpla con los requerimientos de coordinacin de

aislamiento, teniendo como datos:

1. nivel de proteccin del pararrayos y

2. la tensin soportada de coordinacin, misma que se

obtiene al dividir el valor de placa del equipo para

1.15 (a nivel del mar).

Como la tensin soportada de coordinacin

forma parte del procedimiento para definir el


132/168

forma parte del procedimiento para definir el

nivel de aislamiento de los equipos, esnecesario calcularla usando los criterios de la

opcin (a), partiendo del supuesto que la

distancia de separacin del pararrayos ha sidopreviamente definida. Esto se puede hacer en

base a subestaciones existentes que sirvan de

modelo.

Dentro de las caractersticas mecnicas del pararrayos se considera las

caractersticas del revestimiento, la resistencia mecnica y el comportamiento

3.2. Caractersticas mecnicas.


133/168

ante sismos.

Revestimiento.

Es importante considerar el tipo y caractersticas del revestimiento del

pararrayos, ya que ste debe ser el adecuado para proteger a la columna de

resistores de xido metlico del ambiente exterior y para proveer una distancia

de fuga adecuada.

Con el fin de garantizar que el revestimiento cumpla con su funcin, de

acuerdo a las pruebas descritas en la Norma IEC 60099-4, este debe soportar

las tensiones mostradas en la Tabla siguiente.


134/168

De la Tabla anterior se puede notar que

las tensiones de pr eba q e debe


135/168

las tensiones de prueba que debe

soportar el revestimiento del pararrayosen sistemas del Rango II son superiores

en un porcentaje dado (25% o 30 %hasta 1000 msnm) a su respectivo nivel

de proteccin.

Estos porcentajes son los suficientes para garantizar


136/168

Estos porcentajes son los suficientes para garantizar

que la descarga a tierra ocurra internamente a travs

del pararrayos sin que se forme una descarga por

aire o contorneo en el revestimiento. Bajo este

criterio se puede afirmar que las pastillas de xido de

zinc del pararrayos estn debidamente protegidas.

A su vez, si se compara las tensiones de prueba

resultantes a partir de la Tabla mostrada anterior


137/168

p

con los niveles de aislamiento del resto de los

equipos de la subestacin, se observar que en

todos los casos, los valores de las tensiones

soportadas por el aislamiento delpararrayos, sern menores enaproximadamente un 25% a los niveles de

aislamiento del resto del equipo.

Esta diferencia se justifica debido a que el

revestimiento del pararrayos es el aislamiento


138/168

revestimiento del pararrayos es el aislamiento

mejor protegido dentro de la subestacin, yaque sobre l no aparecern tensiones

superiores a la cada de tensin sobre las

resistencias de xido metlico durante ladescarga, es decir, el factor de distancia de

separacin no tiene influencia.

De aqu que, los valores calculados segn la Tabla

mostrada anterior son los suficientes para garantizar


139/168

la no ocurrencia de un contorneo en el aislamiento del

descargador.

En caso de seleccionar tensiones soportadas

mayores, por ejemplo, tensiones soportadasiguales a las del resto del equipo se tendrnpararrayos con revestimientos innecesariamente

grandes y costosos.

Por esta razn el revestimiento del pararrayos

solo debe tener las dimensiones fsicas que


140/168

q

impidan la descarga por aire o contorneo.

Sin embargo, de acuerdo al nivel de

contaminacin del sitio de instalacin delpararrayos sus dimensiones fsicas pueden

cambiar en funcin de la distancia de fuga

externa.

Comportamiento y Resistencia del Revestimiento a la

Contaminacin.-


141/168

Un exceso de contaminacin sobre el revestimiento delpararrayos puede ocasionar:

1. descargas disruptivas entre sus terminales,

2. incremento de temperatura en las resistencias y3. disturbios en la distribucin de voltaje sobre el

revestimiento, esto a su vez, provoca descargas parciales

internas que pueden daar las resistencias u otros

elementos.

Por tanto es necesario


142/168

seleccionar un pararrayos quesoporte el nivel de

contaminacin en el sitio deubicacin sin provocar los

efectos antes mencionados.

Debido a que el grado de contaminacin influye en la

aparicin de contorneos externos, influye tambin


143/168

p , y

sobre la distancia de fuga externa del pararrayos, ypor lo tanto en sus dimensiones fsicas.

Por tanto, es necesario aumentar la distancia de

fuga ante la presencia de contaminacin debido a

que en estas condiciones se aumenta el riesgo de

contorneo.

De acuerdo a las normas IEC se han

establecido cuatro niveles cualitativos de


144/168

establecido cuatro niveles cualitativos de

contaminacin.

La Tabla siguiente muestra una descripcin de

los entornos tpicos asociados a cada nivel depolucin y las distancias de fuga necesarias

para soportar la contaminacin en cada uno.


145/168


146/168

En condiciones normales de funcionamiento serecomienda el uso de pararrayos que

t i l d t i i ti II


147/168

soporten un nivel de contaminacin tipo II.

En ambientes con alto grado de contaminacin

en los que se requiera distancias de fugamayores a 31 mm/kVse deber acordar con el

fabricante la elaboracin del descargador

adecuado.

Bajo estas circunstancias, se


148/168

debe tambin considerar elengrasar o lavar los

revestimientos del pararrayosperidicamente y bajo tensin.

Las normas IEC no han establecido an

procedimientos de prueba respecto de estas


149/168

condiciones de operacin.

En general el aislamiento deber ser capaz de

soportar la tensin ms elevada del sistemaen forma continua bajo condiciones decontaminacin con baja probabilidad de

contorneos.

La distancia de fuga seleccionada


150/168

para los pararrayos se aplicatambin para el resto del

equipamiento de la subestacin.

El pararrayos debe resistir los esfuerzos

mecnicos estticos y dinmicos especificados

Resistencia mecnica


151/168

y p

por el fabricante.

La norma define el procedimiento de prueba

para esfuerzos dinmicos como es el casodel momento de flexin.

Los esfuerzos estticos por lo general no

causan mayor inconveniente a los


152/168

pararrayos, y se pueden reducirsignificativamente con el uso de

conductores y abrazaderas livianas y de

menor seccin, esta opcin es vlida

debido a que el pararrayos no conduce

altas corrientes en forma continua.

Los esfuerzos dinmicos en pararrayos estn

representados por el momento de flexin, que


153/168

es aquel que se produce en la base delpararrayos como resultado de la suma vectorial

de las cargas dinmicas que le afectan en

sentido perpendicular al eje, como por ejemplo,la carga del conductor de lnea, la carga delviento y el peso del pararrayos.

De estos, el momento ms significativo es el

causado por el viento, ya que los otros factores


154/168

p , y q

son controlables.

La carga del conductor de lnea se evita al

tener el conductor de lnea conectado alpararrayos lo ms corto posible sin exceder el

momento de flexin definido por el fabricante.

En funcin de la Figura

mostrada y de la expresin,


155/168

mostrada y de la expresin,

se puede calcular elmomento de flexin debido

al viento.


156/168

Mw momento de flexin causado por el viento.

H longitud del pararrayos.

h grosor del anillo de distribucin de potencial.


157/168

D dimetro del anillo de distribucin de potencial.I distancia entre el anillo de distribucin de potencial y

la parte superior.

C coeficiente de resistencia de las partes cilndricas.

Igual a 0.8.v velocidad del viento (m/s).

La Figura siguiente muestra la definicin de los esfuerzos

mecnicos, tanto para revestimientos de porcelana as

como de polmero, como porcentaje del mximo esfuerzo


158/168

co o de po e o, co o po ce taje de o es ue o

dinmico admisible en servicio.

Se puede observar que los revestimientos de porcelanapermiten un esfuerzo esttico de tan slo el 40% de suesfuerzo dinmico, debido a la fragilidad de la porcelana.

Se tiene tambin un margen del 20% de seguridad respecto

del valor medio del esfuerzo de ruptura.

Los revestimientos de polmero, encomparacin con los de porcelana, sedeforman visiblemente bajo influencia de


159/168

deforman visiblemente bajo influencia defuerzas mecnicas, de ah que un daomecnico visible o una deformacin

permanente pueden aparecer al someter alpararrayos de revestimiento polimrico a

esfuerzos mecnicos mayores al esfuerzo

mximo admisible de servicio.


160/168

Comportamiento ante sismos.

Tanto en la seleccin del pararrayos, como del resto del equipo de la


161/168

subestacin, se debe considerar el riesgo de sismos en la zona.

En caso de presentarse requerimientos ssmicos, el fabricante deber

realizar las pruebas pertinentes para garantizar que el equipo resista las

exigencias solicitadas.

Como resultado se puede tener mayores requerimientos mecnicos que los

seleccionados de acuerdo al tem anterior.

Comportamiento ante sismos.


162/168

Cumplidos los requerimientos elctricos ymecnicos, la seleccin del pararrayos entre lasdiferentes posibles opciones, que proporcionan el

mismo grado de proteccin, depender de laimportancia del equipo a ser protegido y seseleccionar desde el punto de vista decoordinacin de aislamiento.

Pararrayos: Fabricante Tridelta


163/168


164/168

Altura: 6.5mLnea de Fuga: 16700mm


165/168

Pararrayos para Alta Tensin

(station class) con envolvente en

porcelana.

Pararrayos Distribution class, para

media tensin

Contadores de

descarga.

Pararrayos Alta Tensin. StationClass

Envolvente

polimrica en

diseo


166/168

Envolvente

en porcelana.

800kV

tubular.500kV

Envolvente

polimrica

diseo

arrollado170kV

Empaque de los

Pararrayos.


167/168

Discos de ZnO

Discos de ZnO en

Almacn.


168/168

Fin parte 2

Gracias

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Coordinación del Aislamiento Parte 2