Pararrayos en Subestaciones: Introducción Conceptos y características generales
Para uso estrictamente académico y de los alumnos de la Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Lima – Perú. No se vende ni comercializa. comercializa.
Prof. Juan Juan Bautista Bautista R. – Profe Profesor sor Princip Principal al
FIEE - UNI
Bibliografía
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Presentación
Los pararrayos son los elementos de protección de los equipos de las subestaciones contra sobretensiones. inicialmente se fabricaban con descargadores y resistencias no lineales de carburo de silicio (SiC), pero en los últimos años han sido desplazados por pararrayos construidos con resistencias no lineales de óxido de zinc (ZnO) sin descargadores.
Clasificación de los Pararrayos (descargadores)
Normas referidas a Pararrayos
IEC 60099-4 Metal-oxide surge arresters without gaps for AC systems IEC 60099-5 Selection and application recommendations IEEE STd C62.1 IEEE Standard for Gapped Silicon-Carbide Surge Arresters for AC Power Circuits IEEE Std C62.2 IEEE Guide for the Application of Gapped Silicon- Carbide Surge Arresters fOr Alternating Current Systems
IEEE Std C62.11 Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating Current Power Circuits IEEE Std C62.22 IEEE Guide for Application of MetalOxide Surge Arresters for Altemating·Current System.
Pararrayos de ZnO
A principios de la década de 1980 se hizo popular el pararrayos que no utiliza los saltachispas internos o gaps. Estos nuevos pararrayos utilizan como elementos activos varistores de óxido de zinc, ZnO ensamblados en serie, en una 0 más columnas, dentro de bujes de porcelana.
Esquema típico de un pararrayos de óxi do metálico (ZnO)
Esquema típico de un pararrayos de óxido metálico (ZnO) Polimérico
Esquema típico de un pararrayos de óxido m etálico (ZnO) Porc elana
Típicos pararrayos d e óxido metálico (ZnO)
Fabricante TYCO
La ausencia de los saltachispas o gaps introduce una nueva situación en la aplicación de pararrayos para sistemas eléctricos de potencia, ya que el término cebado (sparkover) no es aplicable en estos casos.
Características eléctricas del pararrayos ZnO según IEC Tensión asignada U r
Es el valor eficaz máximo permisible de la tensión a frecuencia industrial aplicado entre los terminales del pararrayos para el cual debe operar correctamente, bajo condiciones de sobretensiones temporales. En la Tabla adjunta se muestran las tensiones asignadas para pararrayos de ZnO.
Tensión de operación continua U c Es el mayor valor de tension eficaz a frecuencia industrial que sopona el pararrayos continuamente. Frecuencia asignada Es la del sistema de potencia para la cual esta prevista la instalación del pararrayos.
lmpulso
Es una onda unidireccional de tensión o corriente que sin oscilación apreciable crece rápidamente a un valor máximo y cae, usualmente menos rápido a cero. Impulso escarpado de corriente Es un impulso de corriente con un tiempo virtual de frente de 01s. El tiempo virtual para el valor medio de la cola no es mayor de 20 s.
Impulso de corriente tipo rayo Es un impulso de corriente con un tiempo virtual de frente de 8s y un tiempo virtual para el valor media de la cola de 20 s. Corriente de descarga nominal de un pararrayos I n Es el valor pico del impulso de corriente de descarga que tiene un impulso de 8 x 20s. Los valores de corrientes nominales de descarga son: 20kA, 10kA, 5 kA, 2.5kA y 1.5kA
Clasificación de los pararrayos
La norma IEC 60099-4 (2001) clasifica los pararrayos según las corrientes nominales de descarga en los siguientes tipos: •
Pararrayos tipo Estación: de 10kA y 20kA
•
Intermedio o distribución: pararrayos de 5kA
Secundarios: pararrayos desde 1.5kA hasta corrientes menores que 5kA. •
Ejemplo de curva característica del pararrayos 220kV
823
250
200
Pararrayos 245kV Clase 4
Pararrayos Tridelta 420kV
Pararrayos Tridelta 800kV
Pararrayos Tridelta 420kV
Pararrayos 420kV Línea de fuga 16700mm, altura 6.5m
Pararrayos 800kV, Laboratorio CESI
Pararrayos hasta 170kV Silicona
Pararrayos con longitud de línea de fuga extendida a 55mm/kV (Marca Tyco)
Norma IEEE Std C62.11 (1993) clasifica los pararrayos de acuerdo con la corriente de descarga al impulso tipo rayo de la manera indicada en la Tabla adjunta (en paréntesis se indica la tensión máxima del sistema).
Impulso de corriente de maniobra El valor pico de una corriente de descarga que tiene un tiempo virtual de frente mayor de 30s pero menor de 100 s y un tiempo virtual para el valor medio de la cola de aproximadamente el doble del tiempo virtual de frente. Corriente continua de un pararrayos Es la corriente que circula a través del pararrayos cuando se energiza con la tensión de operación.
Corriente de referencia del pararrayos Es el valor pico de la componente resistiva de la corriente a la frecuencia industrial utilizada para determinar la tensión de referencia de un pararrayos. Tensión de referencia U r ef Es el valor pico mas alto, independiente de la polaridad de tensión a frecuencia industrial, dividido por S2, medido a la corriente de referencia del pararrayos.
Tensión residual de un pararrayos U r es
Es el valor pico de tensión que aparece entre los terminales, de un pararrayos durante el paso de la corriente de descarga.
Características de protección de un pararrayos
Las características de un pararrayos pueden determinarse de la combinación de los siguientes parámetros: Tensión residual para impulso escarpado de corriente •
Característica de la tensión residual en función de la corriente de descarga para impulsos atmosféricos •
•
Tensión residual para impulsos de maniobra.
El nivel de protección al impulso tipo rayo de un pararrayos (N P R ) es la máxima tensión residual para la corriente nominal de descarga. EI nivel de protección al impulso de maniobra de un pararrayos (N P M ) es la máxima tensión residual para el impulso de corriente de maniobra especificada.
En la Tabla adjunta se presentan los rangos típicos de las tensiones residuales máximas de acuerdo con la norma IEC 60099-4 (2001). El valor inferior se refiere normalmente a pararrayos con altas clases de descarga de línea y viceversa.
Capacidad de absorción de energia
Es de gran importancia sobre todo en los sistemas de extra alta tensión, donde la energía es muy elevada debido a la poca posibilidad de repartición de energía entre los pararrayos de una subestación.
Los catálogos de los fabricantes normalmente indican la capacidad máxima de energía en kilojoules (kJ), siendo esta capacidad una función de la tensión asignada y de la corriente de descarga del pararrayos.
Clase de descarga de línea
La norma IEC 60099-5 (2000) ha definido la clase de descarga de línea como el valor relacionado con la capacidad de absorción de energía de los pararrayos de 20kA y 10kA para la descarga de líneas de gran longitud.
Clase de descarga de línea…
De acuerdo con la norma IEC 60099-4, existen 05 clases:
En el pararrayos es especialmente importante definir correctamente su capacidad de disipación de energía. El caso considerado principalmente es la maniobra de recierre contra una carga atrapada en una línea con el pararrayos instalado en el extremo abierto de la línea
Como método simplificado y para el caso de maniobra de líneas, la energía se estima en la forma: Valores t ípicos de impedancias características y sobretensiones
Sobretensión esperada sin pararrayos
Energía en kJ
W
U ps
Ue
nivel de protección a impuls o. de maniobra del pararrayos
U ps Tw n Z
tiempo de viaje de la ond a, el cual es igu al a la longi tud d e la línea dividi da por la velocidad de propagación Número de descargas sin enfriamiento del pararrayos Impedancia característic a de la línea
Recomendaciones de instalación
Tratar de instalar el pararrayos lo más cerca posible de los equipos que va a proteger, ya que a medida que aumenta la distancia, se reduce la capacidad de descargar las sobretensiones por el pararrayos. En el caso de instalar contadores de descargas, el pararrayos se debe montar sobre bases aislantes, las cuales desvían la corriente hacia el contador y permiten que este elemento cuente cuando se presenta una descarga. •
Los fabricantes recomiendan instalar el contador de descargas a no más de 2 metros del pararrayos, por efectos de la inducción del cable que los conecta. •
Así mismo es importante que el pararrayos no se encuentre a más de 4 metros de la malla a tierra. •
Contador de descargas
Contador de descargas (CD)
El contador de descargas es un elemento que se instala en el camino entre la descarga y la tierra, aislado para un voltaje de unos 3 KV. Este elemento se consigue en dos versiones: •
uno que contiene solo los dígitos y
•
otro que contiene un miliamperímetro.
En el caso del que tiene solos los dígitos, este cuenta cuantas veces el pararrayos ha actuado, en la medida que el equipo ha presentado descargas, es bueno entonces revisar las condiciones del pararrayos, ya que cuando este opera, el material de las columnas de MO se van “agrietando” o degradando, esto depende de la magnitud de las descargas recibidas y si estas han sido consecutivas. •
Para el caso del contador que tiene miliamperímetro, este nos indica la corriente de fuga que esta teniendo el pararrayos, la cual debe ser del orden de los 2- 5mA cuando el equipo esta bueno, en el caso de daño del pararrayos, esta corriente aumenta, lo que indica que habría que cambiar el pararrayos.
•
Fabricante: SIEMENS
