Descargadores para sistemas de alta tensión
Características y ejemplos d selección.
Juan Bautista R. – Profesor Princi
Bibliografía
Ventajas de los pararrayos de ZnO
• Su coeficiente de no-linealidad es muy alto y permite prescindir d
los explosores y de resistencias y condensadores en paralelo. • Es posible conocer su estado de envejecimiento midiendo la corriente resistiva.
• Presentan una tensión residual muy estable, puesto que la ausen de explosores elimina el carácter errático asociado al desgaste de estos. • Permiten una disminución del riesgo de explosión.
• los pararrayos de ZnO con envolventes poliméricas, que están sustituyendo las envolventes cerámicas, ya que disminuyen considerablemente los riesgos derivados de posibles explosiones po sobrepresiones en el interior.
Ubicación del pararrayos a la salida de la SE
SECCION A-A
Ubicación del pararrayos a la salida de la SE
D
Ubicación del pararrayos a la salida de la SE
Características que definen y selecciona el pararrayos • Tensión nominal o asignada:
Ur
• Tensión de funcionamiento continuo:
Uc
• Capacidad del pararrayos frente a sobretensiones temporales: • Corriente nominal de descarga: In
TOVc
- Clase de descarga de línea. • Tensión residual o de descarga:
Ures
- Nivel de protección a impulsos tipo maniobra:
SIPL.
- Nivel de protección a impulsos tipo rayo:
LIPL.
• Clase de limitador de presión. • Línea de fuga. • Corriente permanente del pararrayos. • Presencia de dispositivo de desconexión. • Frecuencia asignada.
Tensión asignada o nominal (rated voltage) Ur
Es el valor eficaz máximo de tensión a frecuencia industrial admisible entre sus bornes en para el cual estde previsto un funcionamiento correcto condiciones sobretensiones temporales establecidas en los ensayos funcionamiento según UNE-EN 60099-4.
Según estos ensayos, Ur es el valor eficaz máximo de tensión a frecuencia industrial que es capaz de soportar durante 10s, después de haber sometido al pararrayos los impulsos de corriente de gran amplitud o de larga duración.
Los valores normalizados de la tensión asignada de los pararrayos (en kV eficaces) son establecidos por la Norma (por ejemplo UNE-EN 60099-4)
Por ejemplo, existen tensiones nominales de 96 y 108 kV, pero no existe 100 kV. Si en el ensayo de tensión nominal se determina que el pararrayos es capaz de soportar durante 10s hasta 100 kV, la
tensión nominal deinferior la misma deberá ser96 u valor normalizado (por ejemplo kV).
Tensión de funcionamiento continuo (Uc) (continuous operating voltage)
La Uc es el valor máximo admisible de tensión eficaz a frecuencia industrial que puede de (según forma permanente en los bornes de unaplicarse pararrayos ensayo especificado por la Norma).
Representa la tensión eficaz máxima que puede soporta el pararrayos entre sus terminales de forma permanent y corresponde a la tensión máxima que el pararrayos es capaz de soportar cuando está trabajando en la zona de predescarga.
Capacidad para soportar sobretensiones temporales (Temporary Overvoltages Capability) - TOVC
Es el valor eficaz de la máxima sobretensión temporal a frecuencia industrial que es capaz de soportar entre sus terminales durante un tiemp determinado.
En general, los fabricantes proporcionan gráfica con la variación del TOVc para distintos valores tiempo. Suelen presentarse como referencia los valores de TOVc para 1s y 10s.
El valor de TOVc para 10seg suele ser algo mayo al valor de la tensión asignada del pararrayos ya que Ur es la tensión a frecuencia industrial durante 10s usada para verificar la estabilidad después de aplicar los impulsos indicados en la norma. Por la tensión pararrayos (U serátanto, a lo más el valornominal de TOVcdel para 10 s:
U r TOV
c
s 10
El valor de TOV representa, por tanto, la c capacidad del pararrayos para soportar, desde un punto de vista energético, las sobretensiones temporales que pueden aparecer en la red (con diferentes duraciones). Este valor no va asociado a l pérdida de aislamiento del pararrayos, sin a la destrucción del mismo debido a las solicitaciones energéticas.
Corriente nominal de descarga de un pararrayos (nominal discharge current) - I n
Es la onda de corriente que circula por el pararrayos cuando se encuentra la zona de descarga o alta descarga.
In es el valor de cresta del impulso de corriente tipo rayo (8/20 µ s) que se usa para designar el pararrayos.
Los valores normalizados de corriente nominal de descarga son: 1,5 kA, 2 kA, 5 kA, 10 kA y 20 kA . En la Tabla adjunta presenta los valores normalizados en función de la tensión asignada del pararrayos.
Clase de descarga de línea
Para pararrayos de 10 kA y 20 k se define la clase de descarga de línea como la capacidad del pararrayos para disipar la energía correspondiente a la descarga de una línea precargada.
Clase de descarga de línea…
Existen cinco clases de descarga de línea normalizadas:
i) clases 1, 2 y 3 para los pararrayos de 10 kA de corriente nominal, y ii) clases 4 y 5 para las de 20 kA.
Para cada una de las clases de descarga de líne
se define una amplitud y una duración del impulso de corriente de larga duración que debe ser capaz de soportar el pararrayos: • los de clase 1 son los que menor duración e
intensidad pueden soportar, mientras que • los de clase 5 son los que pueden soportar
impulsos de corriente más severos.
La normativa no define de forma explícita la capacidad energética de un pararrayos como un valor expresado en kJ o kJ/kV, sino que define los parámetros de ensayo que determinan la clase de descarga de línea del pararrayos. Estos parámetros se muestran en la Tabla adjunta, donde la tensión asignada del pararrayos.
Para determinar la energía inyectada en el ensayo, se define una tensión residual (Ures) que corresponde a la que presenta el pararrayos al inyecta corriente del ensayo con impulso tipo maniobra (30/60µseg ) con las corrien de cresta indicadas en la Tabla adjunta.
A partir de los parámetros de la línea precargada según Tabla, y de la tensión residual del pararrayos para el ensayo de impulso tipo maniobra (Ures) según la Tabla, posible obtener la energía inyectada (W) utilizando la siguiente ecuación:
1 W U U T res UL res Z
En general, para pararrayos de la misma clase de descarga de línea y mismo fabricante, el valor de la energía expresado en kJ/kV (U r) es muy similar, por lo que suele considerarse idéntico (independientemente de la tensión nominal del pararrayos). Sin embargo, para pararrayos de una misma clase de descarga y diferente fabricante este valor puede ser distinto (ya que la energía a inyectar en el ensayo que determina la clase de descarga de línea depende de características del propio pararrayos: Ures)
Por ejemplo, la Tabla adjunta muestra las tensiones nominales y residuale para dos fabricantes (A y B), cada uno de los cuales con dos modelos (1 y de pararrayos de clase de descarga de línea 3. La energía obtenida en kJ y kJ/kV (Ur) para cada uno de los modelos se muestra en la Tabla adjunta. Aunque en ambos casos los pararrayos son de clase 3, los valores de capacidad energética son distintos. Ejempl o de características d e pararrayos para dos f abricantes di ferentes ( clase 3 ).
Para poder comparar las capacidades energéticas de diferentes fabricantes, es habitual presentar la corriente de cresta que es capaz de soportar el pararrayos cuando se le somete a un
impulso de 4ms (independientemente de la clase).
Por tanto, la forma de clasificar los pararrayos
por su corriente nominal de descarga y su clase de descarga de línea (en caso de tratarse de 10kA o 20 kA), hay que destacar la importancia que tiene la elección de la IN y la clase de descarga de línea, ya que al aumentar la clase aumenta la capacidad de disipación energética, pero también el precio del equipo.
Tensión residual o de descarga - Ures (residual voltage, discharge voltage)
Es el valor cresta de la tensión que aparece entre borne del pararrayos durante el paso de la corriente de descarga.
Su valor depende de la forma de onda y la magnitud de corriente de descarga.
Las tensiones residuales se obtienen para impulsos de corriente tipo maniobra (30/60 µ s para pararrayos de 1 kA y 20 kA) independientemente y tipo rayo (8/20 µ s para los pararrayos, de sutodos corriente nominal).
Los valores cresta de las corrientes para los ensayos de
tensión residual vienen la norma y son valores mínimos que el definidas fabricanteen debe presentar en función de la corriente nominal de descarga y clase de descarga de línea del pararrayos, véase la Tabla adjunt
Valores de formas de onda y magnitud de la corriente de desc sobre los que los fabricantes deb realizar ensayos para obtener tensiones residuales.
Habitualmente los fabricantes de pararrayos de 10 kA
20 kAvarias proporcionan losde valores de tensiones residual para corrientes descarga tipo maniobra y tipo rayo. Los valores más habituales son los presentados en la Tabla.
En función de las tensiones residuales de cada tipo de ensayo se definen los niveles de protección de los pararrayos:
• El nivel de protección a impulsos tipo maniobra de un pararrayos (SIPL, switching impulse protection level) valor máximo de la tensión residual del pararrayos a las corrientes de impulso tipo maniobra especificadas.
• El nivel de(LIPL, protección a impulsos rayo delevel) un pararrayos lightning impulse tipo protection máxima tensión residual del pararrayos para la corrient nominal de descarga.
Clase del limitador de presión
En caso de defecto interno de un pararrayos, convien que la corriente que lo atraviesa no cause destrucción violenta de su envolvente.
En consecuencia, se recomienda que la corriente de defecto soportada por el pararrayos sea igual o superio la corriente de defecto máximo en el lugar donde está instalado.
Este problema puede ser especialmente crítico parade los pararrayos de envolvente porcelana (mayor riesgo daño en caso de explosión) y de elevada tensión nomin (mayor tamaño).
Una medida de seguridad para el equipo y el personal q pueda estarde cerca en caso delimitador fallo de un es instalación un dispositivo de pararrayos presión.
Esto hace que el pararrayos rompa de forma no explosiva, quedando los posibles fragmentos en una zon muy próxima al equipo.
La normativa europea establece, como referencia para l
realización ensayos, la normade UNE-EN para determinar de la clase de limitador presión60099-4 (expresada kA) que debe soportar el equio en caso de cortocircuito trifásico en bornes del pararrayos.
Línea de fuga (creeping distance)
Es la distancia medida a lo largo del aislamiento exterior del equipo, y es una medida de la capacidad del equipo respecto al riesgo de contorneo exterior en entornos contaminados.
Se definen 4 niveles de contaminación, con una línea de fuga específica nominal mínima para cada uno de ellosdel (expresada mm/kV de la tensión máxima sistema Uen s)
Línea de fuga específica nominal en función del nivel de contaminación
Tipo de aislamiento
El material que se puede utilizar como envolvente de la pastillas de ZnO que le sirvefuncionamiento de aislamiento del externo fundamental paray el correcto pararrayos.
Tradicionalmente se han utilizado la cerámica, el vidrio otros materiales sintéticos (como el Monómero de Etilen Propileno-Dieno o EPDM), pero actualmente se está imponiendo el aislamiento de goma silicona.
Tipo de aislamiento
Pararrayos de ZnO con aislamiento de goma silicona.
Envolvente de porcelana
El efecto hidrofóbico de la silicona evita que se
formen depósitos semiconductores (como suced en otro tipo de materiales), repele las gotas de agua que terminan por unirse y escurrir, de mo que la corriente eléctrica no es conducida fácilmente.
Esta es la razón porlos la aislantes cual las corrientes fug superficiales sobre de siliconadeson extremadamente bajas.
Otras ventajas de la goma silicona:
• Vida útil elevada: es un material elástico, sólido y compacto. • Peso reducido: hasta 50% que la porcelana, y facilita transporte y manipulación del pararrayos. • Más adecuada para el medio ambiente: no contiene ningún material perjudicial para el medio ambiente y puede ser reciclado. • Repele la suciedad y contaminación. • Resistencia a la luz, a la radiación ultravioleta y al fuego.
Ejemplo de características de un pararrayos
Se presentan las características del pararrayos ABB modelo PEXLIMQ120-XV145.
1397mm
Criterios de se lección del par arrayos
a)descarga Corriente denominal línea. y clase de La elección de la IN de descarga del pararrayos es un criterio de diseño que determina las características básicas de la misma.
b) Adecuación del pararrayos al sistema pararrayos debe ser capaz de soportar permanentemente la tensión del sistema (determinación de Uc) y las sobretensione temporales que se presenten durante la duración máxima que puedan tener (determinación de TOVc). Asimismo, debe tener una línea de fuga mínima para evita que se produzcan contorneos.
c) Selección de las características de protección. El pararrayos debe limitar el valor de las sobretensiones que pueden aparecer en el sistema por debajo de los límites que es capaz de soportar el equipo al cual protege. Se definen unos márgene de protección frente a impulsos tipo rayo maniobra que debe garantizar el pararrayos.
Es habitual instalar los pararrayos:
• Próximo a los bornes de los bushings del transformad
para proteger la máquina de posibles sobretensiones qu puedan producir su fallo.
Deben instalarse en las salidas de todos los devanados. En este caso, es especialmente importante disponer de margen de seguridad elevado, ya que en transitorios de frente un duplicándose transformador comporta como un circuitorápido abierto, lase onda de tensión incidente.
• En la llegada de líneas a subestaciones: para protege
los equipos (especialmente de por las sobretensiones atmosféricasinterruptores) que puedan llegar líneas.
• En conversiones aéreo-subterráneas: para proteger lo
cables aislados de posibles perdidas de aislamiento. • En algunos puntos críticos de la red en los que las
descargas de se aisladores importan pérdida de provocan calidad decebado servicio, instalan con pararrayos en tramos de líneas en paralelo con los aisladores de las mismas.
Elección de la IN y la clase de descarga de línea
Los valores normalizados de corriente nominal de descarga según UNE-EN 600994 son los indicados en Tabla.
Valores de corriente nominal de descarga normalizados en función de la tensión asignada del pararrayos
Además, existen valores de corriente nominal
recomendados en función de la tensión máximapor delUNE-EN sistema,60099-5 presentados en la Tabla.
UN
60 kV
UN =138 y 220 k
UN = 500 kV Valores característicos de la corriente nominal de descarga (/ N) en función de la tensión máxima del si
Como ya se ha mencionado, en caso de pararrayos con
corriente 10kA y 20kA, posible elegir en clase 1,2 de y 3descarga para 10kA, y clase 4 y es 5 para 20 kA.
En la práctica, los valores utilizados de corrientes nominales v clase de descarga de línea son los mostrad en la Tabla.
Valores habituales de corrientes nominales de descarga.(lN)y clase de descarga de línea en función de la tensión nominal (Us) del sistema
Criterio de elección de la tensión de funcionamiento continuo (Uc)
El pararrayos debe ser capaz de soportar la Umax del
sistema en condiciones de explotación. Por tanto, el valor de la tensión de funcionamiento continuo del pararrayos (Uc) debe ser mayor que el valo de la tensión máxima del sistema (Us). Si el pararrayos está instalado entre fase y tierra, su tensión de operación continua deberá cumplir:
s U Uc 3
Umax del sistema
Criterio de elección de las sobretensiones temporales (TOVc)
En caso de aparecer sobretensiones temporales en el
sistema, las protecciones convencionales (sobreintensidad, distancia, diferencial, etc.) deben ser capaces de despejarlas en un tiempo breve (normalmen inferior a 1s).
Los pararrayos son capaces de limitar tensiones elevada cuya duración apenas dura unos pocos seg.
Sin embargo, lasmayor sobretensiones temporales , al tener u duración mucho (desde varios milisegundos has algunos segundos), exigen una disipación energética mucho mayor.
Un pararrayos debe ser capaz de soportar estas sobretensiones hasta el tiempo de actuación de las protecciones.
Además, dependiendo de la magnitud de sobretensión, el propio pararrayos limitará
su valor, al entrar en la zona de descarga
Para poder comparar diferentes valores de magnitud y
duración de las temporales la capacidad deldiferentes pararrayossobretensiones para soportarlas se suele co convertir cada una de ellas a una amplitud equivalente (Ueq) para una duración de 10s: amplitud de la sobretensión temporal representativa
duración de la sobretensión temporal representativa
m
U eq U t Tt 10 amplitud de la sobretensión temporal representativa equivalente para 10s
exponente que describe la característica de la tensión a frecuencia industrial frente al tiempo del pararrayos.
varía entre 0.018 y 0.022 y se s utilizar un valor medio de 0.02
capacidad del pararrayos para soportar sobretensiones temporales TOVc durante 10s
TOVc 10s
sobretensión temporal representativa equivalentes para 10s - U eq
U
eq
Entonces, la capacidad para soportar sobretensiones temporales (TOVc) y la tensión nominal del pararrayos (Ur) están relacionadas.
En redes con Unominal
≤
220 kV es habitual considerar qu
las sobretensiones temporales son srcinadas tierra, al ser generalmente las más severas. por fallas factor de falla a tierra Valor de sobretensión máxima que puede aparecer en un sistema por falla a tierra U t :
Tensión máxima del sistema (caso más desfavorable)
U t k .U s 3
En función del tipo de conexión de neutro, la magnitud
la sobretensión temporal por falla a tierra puede alcanz diferentes valores:
Valores característicos del factor de falla a t¡erra en función del tipo de conexión de neutro del sistema (redes de hasta 220 kV).
Valores posibles de la sobretensión temporal (k)
i) Neutro rígido a tierra: El factor de falla a tierra (k) 0,9
≤
k≤ 1,4
suele ser: La duración máxima de una falla a tierra en este tipo de redes (tiempo máximo considerado para despejar una falla por parte de las protecciones convencionales) es: t<1s ii) Neutro no rígido a tierra: En sistemas con neutro puesto a tierra una impedancia, factorkde falta a tierra (k)mediante puede alcanzan valores deelhasta =1,73.
Valores posibles de la sobretensión temporal (k)
El tiempo de despeje de una falla en este tipo de sistem suele estar entre 1s
iii) Neutro puesto a tierra por bobina de compensación neutro aislado: En estos sistemas el factor de falla a tie (k) puede llegar a ser superior: k 1.73, pudiendo alcanzar valores de hasta k =1.9. El tiempo de actuació de las protecciones de este tipo de sistemas puede superar los 10 s.
Conociendo el tipo de conexión de neutro del sistema y
tiempo máximolade actuación las protecciones, se puede calcular amplitud de de la sobretensión equivalen (Ueq) a partir de la expresión: Duración amplitud de la máxima de la sobretensión temporal falla a tierra (s) representativa generalmente 1s
Tt U eq U t 10
m
factor de falla a tierra
amplitud de la sobretensión temporal representativa
k U . Ts 3 10
m t
amplitud de la sobretensión temporal representativa equivalente para l0 s
Elección de la línea de fuga
La línea de fuga mínima del pararrayos debe ser al men la exigida según el nivel de contaminación de la zona donde se instale.
Elección de la línea de fuga
La de obtenerse fuga mínima expresada mmlínea puede a partir de la en tensión máxima del sistema (Us): línea de fuga
minima mm
U
en kV s
línea de fuga no minal mínima (mm / kV )
Margen de protección a impulsos tipo rayo
El margen de protección a impulsos tipo rayo de un pararrayos es:
Margen de Protección a impulsos tipo rayo
tensión soportada a impulsos tipo rayo del equipo a proteger (LIW, Lightning Impulse W¡thstand level
LIW U pl nivel de protección a impulsos tipo rayo del pararrayos (Upl)
Cuanto menor sea el tipo nivelrayo de (U ), protección a impulso pl más alejada estará la tensión residua de la tensión soportada a impulso tip rayo del equipo a proteger (LIW) y mayor será el margen de protección.
Por tanto, interesa seleccionar los pararrayos co niveles de protección bajos, obteniendo los mayores márgenes de protección posibles. En general, el mínimo margen de protección impulso tipo rayo que se suele escoger es del 20% lo que implica que:
Margen de Protección a impulsos tipo rayo
LIW 1.2 U pl
Aunque el valor antes indicado suele ser el mas usual, el margen de protección a impulso tipo rayo debe justificarse con el correspondiente estudio de coordinación de aislamiento.
Margen de protección a impulsos tipo maniobra
El margen de protección a impulsos tipo
maniobra de un pararrayos es el cociente ent tensión soportada a impulsos tipo maniobra del equipo a proteger (SIW, Switching Impulse Withstand Level) y el nivel de protección a impulsos tipo maniobra del pararrayos (Ups)
Margen de Protección a impulsos tipo maniobra
SIW U ps
Margen de protección a impulsos tipo maniobra
El margen de protección a impulsos tipo maniobra de un pararrayos es:
Margen de Protección a impulsos tipo maniobra
SIW
tensión soportada a impulsos tipo maniobra equipo a proteger (SIW Switching Impulse Withstand Level)
nivel de protección a impulsos tipo maniobra
U
ps
pararrayos (Ups)
Para impulsos tipo maniobra el valor mínimo del margen de protección recomendado es del 15%. Lo que implica que: Margen de Protección a impulsos tipo maniobra
1.15 SIW U ps
La Tabla adjunta muestra el valor cresta de la corriente
de descargaun que srcina la tensión residual representa valor típico de Ups en funciónque de la tensió máxima del sistema.
Valores de cresta de la corriente de descarga para cuya tensión residual se conside el nivel de protección del pararrayos a impulsos tipo maniobra (U ps) en función de la tensión máxima del sistema Us.
Contador de descarga del pararrayos
Ejemplo de selección
Se desea proteger un transformador de 132/45 kV en ambos niveles de tensión. Presentaremos varios modelos de pararrayos y se seleccionará uno de estos modelos.
Planteamiento del Problema Se desea proteger un transformador intemperie mediante pararrayos que instalarán a unos pocos metros del mismo.
El transformador es de 132/45kV, 10MVA, para el que se deben selecciona los pararrayos que lo protejan en los dos niveles de tensión. La Tabla adju presenta las características del transformador y del sistema.
Tensión soport tipo rayo del equipo a p (LIW, Líghtn Withstand
Tensión soportada a tipo maniobra del e proteger (SIW, Sw Impulse Wi
Selección del pararrayos 132 kV Paso 1: elección de la corriente nominal (In) y de la clase de descarga de línea. Según la Tabla adjunta, para 132 kV pueden utilizarse pararrayos de c descarga de línea 2 o 3. En este caso se eligen los siguientes valores: - Corriente nominal del pararrayos: In = 10 kA. - Clase de descarga de línea: Clase 3.
Valores habituales corrientes nominales de descarga.(ln)y clase de descarga de línea en función de la tensión nominal (Un) del sistema'
Paso 2: elección de la línea de fuga. Al tratarse de una zona de nivel de contaminación fuerte, la línea de fuga específica mínima es de 25 mm/kV (tabla adjunta). Dado que la tensión máxima del sistema U = 145 kV, el pararrayos deberá cumplir: s
Línea de fuga del pararrayos mayor o igual a:
145kV 25
mm
mm 3625
kV
Paso 3: tensión continua de operación.
La tensión máxima que puede aparecer en permanencia en el sistema es d 145 kV. Dado que el pararrayos se instala entre fase y tierra, su tensión continua operación deberá ser al menos:
Uc
Us
3 Tensión continua de operación
145kV 3
83.7 kV
Paso 4: capacidad para soportar sobretensiones temporales.
El valor mínimo de tensión nominal viene determinado por el TOVc( 10s) q debe ser capaz de soportar el pararrayos. duración de la sobretensión temporal representativa
capacidad para soportar sobretensiones temporales
TOVc 10s U eq
Tt U i 10
amplitud de la sobretensión temporal representativa equivalente para l0 s
m
factor de falla a tierra
k U . Ts 3 10
amplitud de la sobretensión temporal representativa
m t
Para sistemas con neutro rígido a tierra es habitual una duración máxima falla a tierra de 1s.
Utilizando la Tabla adjunta con un sistema de neutro rígido a tierra (k se deduce que el valor mínimo del TOVc(10s) del pararrayos deberá cump
Valores característicos del factor de falla a tierra en función del tipo de conexión del neutro del sistema (redes de hasta 220 kV).
Duración máxima de la falla a tierra (s) capacidad para soportar sobretensiones factor de falla a tierra temporales
m
1.4 145 1 k .U s Tt TOVc 10 s 10 3 3 10
0.02
111.9
amplitud de la sobretensión temporal representativa equivalente para l0 s
amplitud derepresentativa la sobretensión temporal
Por tanto, se deberá cumplir que la sobretensión temporal que el pararrayos pueda soportar durante 10s sea al menos:
Paso 5: márgenes de protección. A partir de los resultados anteriores, es posible seleccionar entre las diferentes marcas y modelos comerciales un conjunto de pararrayos que cumplen los criterios antes obtenidos.
márgenes de protección…
En la Tabla adjunta se muestran todos los criterios mínimos y cinco model que los cumplen. El valor de Upl presentado corresponde al valor de tensió residual del pararrayos (U ) para la corriente nominal (I ) res
n
El nivel de protección del pararrayos (Upl) deberá ser tal que se cumplan lo márgenes de protección mínimos. Considerando que el nivel de aislamient del transformador para impulsos tipo rayo (LlW) es 650 kV, el nivel de protección del pararrayos deberá ser a lo sumo: Tensión soportada a impulsos tipo rayo del equipo a proteger (LIW, Lígthníng Impulse Withstand level
U pl
LIW
1.2 Nivel de protección
650kV
541.7 kV
1.2 Margen de protección
Se puede comprobar que cuanto mayor es la Ur tensión nominal del pararrayos), mayor es la tensión de funcionamiento continuo (Uc) y el TOVc(10s) (el pararrayos es capaz de soportar mayores tensiones y durante má tiempo), pero disminuye el margen de protección (el transformador queda meno protegido al aumentar el nivel de protección). (
La elección de uno de los modelos debe ser un
compromiso entre la capacidad del pararrayos para soportar las sobretensiones y la protección del equipo.
El pararrayos de 108 kV es el que mas protege al transformador (el margen de protección es 2,56), pero es el que menores sobretensiones soporta (aunque cumple todos los criterios mínimos).
El pararrayos de 144 kV es el que más sobradamente soporta las tensiones del sistema, pero también es el que menos protege al transformador (margen de protección de 1,92). En general, para cumplir este compromiso suele tener mayor peso específico la protección del transformador, ya que su precio puede ser varios cientos de veces el de los pararrayos. En este caso, se elige el Modelo 2 (U = 120 kV). r
El margen de protección para sobretensiones tipo maniobra no se considera, al tratarse de una red con tensión nominal inferior a 220 kV.
Selección del pararrayos 45 kV
Paso 1: elección de la corriente nominal (In) Según la Tabla addjdunta, para el sistema de 45 kV pueden utilizarse pararrayos de corriente nominal 5 o 10 kA, de clase de descarga de línea 2. En este caso se toma: - Corriente nominal del pararrayos: In = 10 kA. - Clase de descarga de línea: Clase 2.
Paso 2: elección de la línea de fuga.
Al tratarse de una zona de nivel de contaminación fuerte, la línea de fuga específica mínima e 25 mm/kV (tabla adjunta). Dado que la tensión máxima del sistema Us = 52 kV, el pararrayos deberá cumplir:
Línea de fuga del pararrayos mayor o ig
52kV 25
mm
mm 1300
kV
Paso 3: tensión continua de operación.
La tensión máxima que puede aparecer en permanencia en el sistema es d 52 kV. Dado que el pararrayos se instala entre fase y tierra, su tensión continua operación deberá ser al menos:
Uc
Us
3
52kV 3
30kV
Paso 4: capacidad para soportar sobretensiones temporales
El valor mínimo de tensión nominal viene determinado por el TOVc( 10s) q debe ser capaz de soportar el pararrayos. m
0.02
1.4 52 1 k .U s Tt TOVcs 10 kV 40.1 10 3 3 10
Para sistemas con neutro rígido a tierra es habitual una duración máxima de falla a tierra de 1s
Utilizando la Tabla adjunta con un sistema de neutro rígido a tierra(k = 1,4), se deduce que el v mínimo del TOVc(10s) del pararrayos deberá cumplir:
Valores característicos del fa de falla a tierra en función de tipo de conexión del neut sistema (redes de hasta 220
Por tanto, el pararrayos para el lado de 45 kV deberá soportar durante 10s una sobretensión temporal cuyo valor mínimo sea:
TOVc 10s
kV 40.1
Paso 5: márgenes de protección.
En la Tabla adjunta se muestran todos los valores obtenidos en el proceso selección y cinco modelos de pararrayos que los cumplen. El valor de corresponde de nuevo al valor de tensión residual del pararrayos (U res la corriente nominal (In).
U c 30 U 39 r
TOV 10s 40.1 c
U pl 208.3kV U r 30
1300mm
Nivel de protección:
INVESTIGAAR ESTE TEMA
El nivel de protección del pararrayos (Upl) deberá ser tal que se cumplan lo márgenes de protección mínimos. Puesto que el nivel de aislamiento del transformador para impulsos tipo rayo (LIW) es 250 kV, el nivel de protección del pararrayos deberá ser como máximo: Tensión soportada a impulsos tipo rayo del equipo a proteger (LIW, Lígthníng Impulse Withstand level
U pl
LIW
1.2 Nivel de protección
250kV
208.3kV
1.2 Margen de protección
Se comprueba de nuevo que, al aumentar la tensión nominal del pararrayos, aumentar la tensión de funcionamiento continuo y el TOVc(10s) (el pararrayos es capaz de soportar mayores tensiones y durante más tiempo), mientras que disminuye el margen de protección (el transformador queda menos protegido al aumentar el nivel de protección).
El pararrayos de tensión nominal 39 kV es el que más protege (el margen de protección es 2,36), pero sólo es capaz de soportar un tensión muy próximaen la permanencia máxima del sistema.
El pararrayos de 51 kV es el que más sobradamente soporta las tensiones del sistema, pero el que menos protege al transformador (margen de protección de 1,79).
En este caso, el pararrayos elegido es el Modelo 2: Ur = 42 k
Instalación del Par arrayos
La instalación del pararrayos o descargador en el sistema es de suma importancia, ya que una instalación inadecuada puede influenciar fuertemente su comportamiento en la red.
Se deberá tener especial cuidado a diferentes aspectos tales como: • conexión a tierra de la unidad, • efecto de las distancias al equipo que
protegerá, • buenas conexiones de las partes vivas, etc.
Conexión a tierra
Para poder enviar a tierra, en forma efectiva e inmediata, la sobrecorriente que acompaña a onda viajera, es menester que el pararrayos haya sido instalado a tierra en forma apropiada.
Puesta a tierra del pararrayos y transformador por separado. En vista de lo difícil que resulta en la práctica obtener una resistencia de puesta a tierra de bajo valor óhmico, salvo que no se escatimen costos, la caída de tensión en la misma, Ue, se superpone a la tensión residual del pararrayos.
Opción 01 Conexión a tierra individual
Si:
Ur+UeBILTrafo El transformador puede sufrir serios daños
Resistencia de puesta a tierra deberá ser del mas bajo valor posible.
Tensión residual
Opción 01 Conexión a tierra individual…
El pararrayos o descargador de sobretensiones se conecta a tierra en forma individual, es decir, a una conexión a tierra diferente la del transformador de potencia que deberá ser protegido por el primero.
Opción 01 Conexión a tierra individual….
La caída de tensión en la resistencia de puesta tierra se superpone a la tensión residualadel pararrayos.
Los valores que se obtienen en la práctica para la instalación a tierra en cuestión son por lo general, relativamente altos (Re>
10), debido a la poca extensión de la malla o configuración electródica utilizada para la puesta a tierra.
Opción 01 Conexión a tierra individual….
Una intensidad de corriente de derivación de 5 kA provoca una caída de tensión Ve > 50 kV, la cual no es despreciable si se trata de un sistema de distribución de energía.
Opción 02 Conexión a tierra común
Ue no llega al transformador
Resistencia de puesta a tierra deberá ser del mas bajo valor posible.
Tensión residual
Malla d e Tierr a
Opción 02 Conexión a tierra común…
Esta conexión a tierra es ampliamente utilizada en Venezuela, el pararrayos y el transformador conectan a la misma malla de tierra, pero por separado, utilizando para ello al trayecto más corto.
Esto implica en la práctica que la malla de instalación a tierra tiene que extenderse hasta e sitio donde serán emplazados físicamente los pararrayos.
Opción 02 Conexión a tierra común…
Para no alterar el margen de protección del pararrayos es imperativo que su resistencia de puesta a tierra (valor dinámico) no exceda el valor crítico de 5, medido en el mismoelsitio donde será emplazado dispositivo.
Opción 02 Conexión a tierra común…
Tener en cuenta que el valor dinámico de la resistencia de puesta a tierra (medido a alta frecuencia, por ejemplo 25kHz) es sustancialmente superior al valor estático (medido a aproximadamente 100 Hz). La diferencia puede alcanzar hasta 300%. En vista de que el pararrayos conduce a tierra una
sobrecorriente, el valor dinámico de la conexión tierra es determinante.
Opción 03 de conexión a tierra del pararrayos Aterramiento común del pararrayos y del transformador. La puesta a tierra del pararrayos es inmediata, a través de la resistencia Re La masa metálica del transformador se une entonces galvánicamente al punto de aterramiento del pararrayos. El transformador no se conecta individualmente a la malla de la subestación. De esta manera se trata de evitar el incremento de tensión en la cuba del transformador por Ue
Resistencia de puesta a tierra deberá ser del mas bajo valor posible.
Tensión residual
Opción 03 de conexión a tierra del pararrayos…
Es otra alternativa de instalación a tierra común el pararrayos se conecta galvánicamente, por su extremo instalado a tierra, a la masa metálica (cuba) del transformador.
El transformador, a su vez, se conecta a la mall de conexión a tierra de la sub estación.
Opción 03 de conexión a tierra del pararrayos…
Si bien esta alternativa libera al transformador la superposición de las tensiones Ur y Ue , es factible, como lo indica la ilustración, que el transformador se vea sometido a una solicitació conjunta, cuando el pararrayos dispare. Esta alternativa de conexión a tierra es poco común, a pesar de que está contemplada en algunas normas europeas.
Conclusión
• Lo más expedito es conectar el pararrayos
directamente y a través del trayecto más corto la malla de la sub estación. • Esta malla, en las sub estaciones
convencionales, alcanza una extensión apreciable. • Por ejemplo, una subestación de 230 kV en
configuración de interruptor y medio, afecta un área promedio de 12,000 a 14,000 m2
• La malla de instalación a tierra denota, en
consecuencia, casi la misma extensión, siendo valor óhmico muy bajo, aun en condiciones de suelo seco.
• En general, la resistencia de puesta a tierra d estas mallas difícilmente excede los 2
Conexión especial a tie rra
En sistemas con elevadísimas intensidades de corriente de corto circuito, que operen con el neutro rígidamente conectado a tierra, es necesario recurrir a instalaciones con tierra especiales.
Este tipo de conexión se utiliza en el sistema venezolano de 800 kV, de manera que la intensidad de corriente que derivan a tierra los pararrayos no incremente el potencial referenciade de la malla de la subestación por encima de valores no tolerables.
La corriente id baja primero, a través de la conexión galvánica, a la malla del estrato terrestre más profundo, la cual por encontrarse más profunda que la otra acusa una mejor dispersión. Esta malla se une entonces por sus extremos a la malla superior de la
Pararrayos
subestación.
Conexión a tierra especial del pararrayos en subestaciones con elevadísimas intensidades de corriente de derivación a tierra.
Conexión a la mala de la subestación
Malla esp ecial p ara el Para rrayos
Como sabemos, prácticamente todos los equipos de la subestación se encuentran conectados galvánicamente a la misma instalación.
Un incremento de la tensión Ue por encim de ciertos dentro valoresde podría causar serios destrozos la sub estación.
En subestaciones encapsuladas en SF6
Ameritan un tratamiento particular, debid a que demandan un área mínima para su instalación.
Una subestación de 230kV encapsulada en SF6 , ocupan sólo 12% del área requerida
por una subestación convencional de igua configuración.
Conexiones
Conexiones
Las conexiones del transformador a la partes vivas e instaladas a tierra no deberían ser muy largas, ya que las caídas de tensión en las mismas se le superpondrían a las tensiones citadas en el subcapítulo anterior.
Lamentablemente estas conexiones no siempre se pueden escoger o seleccionar a discreción, pues dependerán del tipo de subestación.
Así se tiene, por ejemplo, que en las subestaciones de diseño vertical, en las cuales l equipos se adosan a las estructuras por falta de espacio a nivel delde suelo, factible que los pararrayos de fin líneaes queden a unos 30 metros sobre el suelo.
El conductor, generalmente desnudo, que lo une a la fase correspondiente, denota la longitud AB, mientras que el que lo pone o lleva a tierra, la longitud en; éste se encuentra aislado, para una tensión nominal de 5 o 15 kV, ya que el pararrayos acciona, al disparar un dispositivo de recuento o registro digital. La energía requerida por este dispositivo para cumplir con su función se obtiene de la misma intensidad de corriente de derivación.
Conexión típica parar subestació
Si el pararrayos se encuentra protegiendo a un transformador de potencia, como en la figura, entonces la tensión máxima que verá el bushing del transformador tiene el valor:
U L
di
U L r U AB dt
LAB
dt
Si esta tensión logra exceder al nivel básico de aislamiento del transformador (BIL), entonces éste se ve expuesto a serios daños. Esta situación puede presentarse, con más frecuencia de la que se sospecha, en sistemas de tensiones intermedias.
dt
Ur
di CD
di
e
LCD
di dt
Ue
Ejemplo
• •
Tensión del sistema: 69 kV,
Protección de los transformadores de potencia contra ondas viajeras de 20 kA con tiempos de formación de cresta de 1 kA/s,
•
Resistencia de puesta a tierra del pararrayos es 6
•
las conexiones tienen las siguientes longitudes: tr AB = 5 metros y tramo CD = 10 metros.
•
La tensión residual del pararrayos se asumirá, para simplificar Ur = 276 kV.
Se asume que el pararrayos envía a tierra toda la intensidad de corriente de la onda (20 kA). La inductancia L, de los tramos AB y CD la podemos asumir como 1H/m, valor frecuente para las bajadas de cobre y aluminio utilizadas en instalaciones a la intemperie. Por tanto:
U L
di
U L r U
AB
dt
LAB 1 H / m 5m
dt
di
dt
dt
1 kA / s
U r 276kV
e
LAB 1000 276000
LCD1000 R e20000
U
5 1000
10 1000
U 411000 V kV 411
di
di CD
U
276000
LAB
6 20000 LAB 1 H / m
10m
LCD
di
di dt
1 kA / s
dt R e 6
U e Ri e R kA 20 e
Si se compara este valor con el nivel básic de aislamiento de un sistema comercial de 69 kV, el cual puede estar: 350 < BIL< 650 kV, según el caso, se observa que el resultado obtenido 411kV es de cuidado, inclusive para las relativamente cortas distancias de conexión de este ejemplo (5 10 metros, respectivamente).
Efecto de la distancia (distance effect) Se recomienda reducir al mínimo p osib le la dist ancia de separa ción entre el para rrayos y el equipo
Efecto de la distancia…
El efecto de la distancia es de importancia cuando se desea determinar los diferentes perfiles de tensión, por ejemplo dentro de una subestación. En vista que el pararrayos no dispara de inmediato, un tiemposufinito para ello, lapues ondanecesita viajera prosigue desplazamiento.
A una distancia l1, donde por ejemplo se encuentra un transformador de potencia, el incremento de tensión determinado por la distancia en cuestión estará dado por
U Tr U
r
St2. . 1 Pendiente de la tensión en kV/s
Pero como v
l1 t1
U Tr U
r
St2. . 1
l1 U Tr U r 2.S . v
Ejemplo
230kV Nominal 70m
40m 8m; 1H/m D
14m; 1H/m
Determinaremos, la caída de tensión total en el pararrayos y sus conexiones (UBG ): U BG L
di
U L BD dt
Se asume que la pendiente de la onda de corriente no sufre distorsión alguna
di
r
Ri EF
dt
i
d
d
5.6 3 5.6 3 U BG 8 10 3 4853 10 14 10 2 2 U BG 563.40kV
5.6 3 10
La tensión en el bushing del transformador, referida a tierra, Ur se obtiene considerando el efecto de la distancia: l1 v
U Tr U r 2.S .
l1 U U BG 2.S . v 40 862.07 kV 30
70 m
40m 8m; 1H/m
D
U 563.4 2 1120
14m; 1H/m
En forma análoga se obtiene para el punto A,
correspondiente al fin de línea y comienzo de la subestación
l2 U A U BG 2.S . v U A 563.4 2 1120 70 1086.07 kV 300
70 m
40m 8m; 1H/m
D
14m; 1H/m
Con este procedimiento podrían obtenerse los perfiles de tensión en los diferentes puntos de subestación, antes o después del pararrayos. Es necesario precisar que la pendiente de la tensión se consideró igual a 1120 kV/s.
Asimismo, es interesante destacar que los incrementos de tensión, dados por el denomina efecto de la distancia, pueden alcanzar valores considerables.
Nueva tecnología Aislador y Pararrayos al mismo tiempo
Multi- Chambe r insula torarrester
Disipa la energía de la onda de rayo y amortigua las corrientes de falla a través de múltiples cámaras. Fabricante
La traducción puede ser: Multi-cámara aislante-descargador (MCIA) es fundamentalmente un nuevo dispositivo que combina simultáneamente propiedades de aislante y pararrayos. Permite proteger líneas de 35-500 kV rayo directo y el impacto del rayo inducidas y sus secundarios.
a) Initial stage of discharge
1 – silicone rubber length; 2 – intermediate electrodes; 3 – arc quenching chamber; 4 – discharge channel.
b) Final stage of discharge
sketch а)
tests MCS b) at
against Induced overvoltages (MCA 20-I)
against Direct Lightning Strokes (MCA-10-DLS)
Insulator arrester at t
Insulator-arrester string 35 kV
Multi-Chamber Insulator Arresters at 35
к
V Overhead Line
110 kV MCIA string at pollution tests
220 kV MC string at impuls
220 kV MCIA string at steep (2 MV/mcs) impulse tes
220 kV MCIA string at ice tests
MCIA Instead of sheilding wire
•
•
Less weight and cost of towers
•
Less direct lightning strokes
Line with sheilding wire
•
Line without wire but with MCIAs
Less wind and ice load
Grounding is not neccessary
500 кV line w ith MOA and with MCIA
MOA
line
with MOA
line
with MCIA
CONCLUSIONS
1.
2. 3.
Multi – Chamber Insulator-Arresters (MCIAs) can be developed for any rated voltage. MCIAs are very competitive with conventional lightning protection means. MCIAs have a great market.
Información: http://eng.streamer.ru/multi-chamber_insulator-arrester_for_ohl_35-220kv
MUCHAS GRACIAS
