CAPÍTULO 4. SELECCIÓN DE DESCARGADORE DESCARGADORES S DE SOBRETENSIÓN
4.1. - Introducción Int roducción La instalación de descargadores de sobretensión o pararrayos en un sistema determinado es uno de los fundamentos de la coordinación del aislamiento, cuyo objetivo es minimizar los efectos de los sobrevoltajes sobre el aislamiento de los equipos y de esta manera evitar su posible deterioro. La selección de los pararrayos depende principalmente de dos factores, las sobretensiones existentes en el sistema y las características del aislamiento aislamiento a proteger. Típicamente los pararrayos son utilizados para drenar la energía contenida en una sobretensión a tierra y de esta forma minimizar el impacto sobre los equipos protegidos pertenecientes a la subestación. El pararrayos se comporta como una conexión o baja impedancia a tierra, permitiendo así, que durante el tiempo que se produzca la sobretensión esta drene a tierra impidiendo que pueda incidir sobre los equipos. Por el contrario, el descargador no debe actuar en condiciones normales de operación del sistema, por lo cual actúa en estos casos como una gran impedancia con el fin de impedir el paso de corrientes al interior del pararrayos. Igualmente, la selección del pararrayos se basa en la adecuada escogencia de sus niveles de protección, protección, de acuerdo a las características características del aislamiento aislamiento a proteger y de esta forma asegurar sus características operativas de acuerdo al volumen de energía a disipar y a las características del sistema en el cual se esta instalado. Tanto los pararrayos Autovalvulares o de carburo de silicio y los No Autovalvulares o de óxido de zinc basan su selección en los principios anteriormente anteriormente mencionados. La finalidad del presente capítulo es dar a conocer los parámetros que deben ser tomados en cuenta para la selección adecuada de los diferentes tipos de descargadores de sobretensión, según las normas normas existentes existentes ANSI/IEEE C62.1-1989, C62.2- 1987 y C62.22-1997; C62.22- 1997; además la norma norma IEC IEC 99-4:1991 9 9-4:1991 y posteriormente aplicarlos en los niveles de tensión presentes en el sistema de La Electricidad de Caracas.
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4.2. Selección de Pararrayos de Carburo de Silicio (SiC) 4.2.1.-Conceptos y Definiciones A continuación se introducen unos conceptos relacionados con pararrayos autovalvulares o de carburo de silicio que se utilizarán durante la selección de los mismos y que resulta necesario conocer:
•
Voltaje Máximo del Sistema
Um : Es el valor máximo rms del voltaje a frecuencia
industrial (60 Hz) del sistema y al cual va estar sometido el pararrayos en condiciones normales de operación. Generalmente se estima un porcentaje de regulación de voltaje entre el 10-15 % del voltaje nominal del sistema (1). •
Voltaje de Extinción: Es el valor rms máximo de voltaje a frecuencia industrial (60 Hz) en el cual el pararrayos puede interrumpir la corriente de descarga nominal sin dificultad.(1)
•
Voltaje Nominal del Pararrayos
UNOMINAL : Voltaje máximo que soporta el pararrayos sin
llegar a la operación. •
Voltaje de Cebado: Valor de voltaje en el cual se produce la ruptura dieléctrica en los explosores y se inicia el proceso de conducción, actuando el pararrayos.
-
Voltaje de Cebado a frecuencia industrial: corresponde al valor rms del voltaje de operación del descargador a frecuencia industrial (60 Hz).
-
Voltaje de Cebado al Impulso por Maniobra: Corresponde al valor pico del impulso con un tiempo de frente de 50, 200 o 1500 µ semiamplitud mayor al tiempo de frente
-
seg. y un tiempo de
(1).
Voltaje de Cebado al Impulso Atmosférico: Corresponde al valor pico del impulso
1.2/50 µ seg. (1) -
Voltaje de Cebado al Frente Escarpado: Corresponde al valor máximo de un impulso con un frente de onda aplicado a una tasa kV µ seg. especificado
(1).
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•
Voltaje Residual: Valor pico del voltaje que aparece entre los terminales del pararrayos cuando circula la corriente de descarga. Este valor depende de la forma de onda de corriente de descarga, por lo cual se ha normalizado una forma de onda de corriente de
8/20 µ seg. como representativo para las sobretensiones atmosféricas. Este valor se especifica para esta forma de onda y para diferentes valores pico de corriente de descarga
(1). •
Capacidad de Alivio de Presión: Capacidad máxima de corriente (traducido en la formación de gases y a la aparición de una presión interna en el pararrayos) que puede soportar el pararrayos sin que se produzca una ruptura brusca de su cubierta externa. Esta corriente se visualiza como la corriente de cortocircuito del sistema en el punto de aplicación del pararrayos (1).
Cada uno de estos datos del pararrayos deben ser proporcionados por el fabricante en el catálogo del descargador.
4.2.2. Selección del Voltaje Nominal El pararrayos no debe operar en condiciones normales de operación o frente a sobretensiones internas temporarias. Las sobretensiones temporarias más representativas son las fallas monofásicas a tierra, en donde las sobretensiones generadas en las fases no falladas dependen de la relación entre el neutro del sistema y el punto de tierra. Matemáticamente, esta relación se expresa mediante el factor de puesta a tierra ke , el cual expresa el factor de incremento de voltaje rms fase a tierra en las fases no falladas respecto al voltaje máximo rms fase a fase del sistema (1) . Se consideran tres tipos de ke dependiendo del sistema
(1):
a) Sistema con Neutro Efectivamente Puesto a Tierra: ke ≤ 0.8 b) Sistema con Neutro Flotante: ke = 1 c) Sistema con Neutro Puesto a tierra a través de una impedancia: 0.8 < ke < 1 Posteriormente se tiene lo siguiente: ke × Um ≤ Vnpararrayos
EC. 4.1
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Donde Um es el Voltaje Máximo del Sistema Fase a Fase.
4.2.3 Selección de los Niveles de Protección El nivel de protección NP de un pararrayos de define de la siguiente manera:
NP = NA VC ,
EC. 4.2
Donde NA representa el nivel de aislamiento para una sobretensión determinada: •
NA =BIL para sobretensiones atmosféricas
•
NA =BSL para sobretensiones de maniobra
•
NA =FW para frentes de onda escarpado, que se considera como un 15 % superior al BIL.
Es posible a partir del BIL establecer, de igual forma, valores tabulados para los parámetros BSL y FW para los diferentes niveles de tensión, ya que la norma
ANSI/IEEE C62.2-1987 (11)
establece relaciones entre estos parámetros y el BIL para los diferentes equipos; esto se indica en la tabla
4.1.
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Equipos
Duración del impulso
Voltaje Umbral
Transformadores y reactores
Frente de onda (0.5 ms)
1.30- 1.50 x BIL
Breakers (= 15.5 kV)
Onda cortada (2 ms)
1.29 x BIL
Transformadores y reactores
Onda cortada (3 ms)
1.10-1.15 x BIL
Breakers (= 15.5 kV)
Onda cortada (3 ms)
1.15 x BIL
Transformadores y reactores
Onda completa (1.2/50 ms)
1.00 x BIL
Transformadores y reactores
Onda tipo descarga por maniobra 250/2500 ms Onda tipo descarga por maniobra
Bushings
250/2500 ms
Breakers 362-800 kV
Onda tipo descarga por maniobra 250/2500 ms
0.83 x BIL
0.63-0.69 x BIL
0.63 -0.69 x BIL
Tabla 4.1. Factores para estimar el voltaje de soporte para equipos sumergidos en aceite mineral El VC por su parte, corresponde al voltaje máximo que permite el pararrayos para la sobretensión referida, es decir: •
VC =Voltaje de Cebado para sobretensiones de maniobra y frente escarpado
•
VC =Valor Máximo entre el Voltaje Residual debido a la onda
8/20 µ seg. y Voltaje de
Cebado frente a este tipo de sobretensiones (Full Wave Impulse Sparkover), para sobretensiones atmosféricas. Para la selección del Voltaje de Cebado frente a sobretensio nes por maniobra, la norma establece el criterio que se observa en la descargador de sobretensión.
Tabla 4.2 para tomar este valor del catálogo del fabricante del
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Máximo voltaje del
Clase Estación
Clase Intermedio
sistema (kV)
(A pico)
(A pico)
3-150
500
500
151-325
1000
-
326-900
2000
-
Tabla 4.2. Valores pico de corriente para la verificación de la tensión de protección contra impulsos de maniobra (ANSI/IEEE) Por su parte, para la evaluación del Voltaje Residual debido a ondas
8/20
µ
seg. la norma
recomienda un valor en kA de acuerdo a los diferentes niveles de voltaje (Ver Tabla 4.3).
Máximo Voltaje del Sistema (kV)
Corriente de impulso atmosférico (kA)
72.5
5
121
10
145
10
242
10
362
10
550
15
800
20
Tabla 4.3. Corrientes recomendadas para determinar voltajes de descargas atmosféricas en subestaciones Por otro lado, existe otra forma de estimar el nivel de protección del equipo. Esta se realiza mediante el cálculo del Margen de Protección MP , el cual se obtiene de la siguiente relación:
P = ( NA / VC − 1) × 100
EC. 4.3
En este sentido, existen valores asignados que se deben cumplir ambos parámetros (NA y MP ):
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•
NP = 1.2 ó MP = 20 % para sobretensiones atmosféricas o frente escarpado
•
NP = 1.15 ó MP = 15 % para sobretensiones por maniobra (1)
Un parámetro importante que debe ser tomado en cuenta durante la instalación de los descargadores, es el alcance o distancia eléctrica entre el pararrayos a ser instalado y los demás equipos que se encuentren dentro de la instalación, los cuales serán protegidos por el descargador. La manera de hallar este parámetro se muestra en el Anexo # 1.
4.3. Selección de pararrayos de óxido de zinc (ZnO) A continuación se introducen una serie de conceptos asociados a pararrayos no autovalvulares o de óxido e zinc: •
Voltaje Máximo del Sistema Um : Es el valor máximo rms del voltaje a frecuencia industrial (60 Hz) del sistema y al cual va estar sometido el pararrayos en condiciones normales de operación. Generalmente se estima un porcentaje de regulación de voltaje entre el 10-15 % del voltaje nominal del sistema
•
(1).
Voltaje Continuo de Operación Uc o MCOV: Voltaje rms a frecuencia industrial (60 Hz) que puede ser aplicado continuamente entre los terminales del pararrayos sin deterioro alguno (1) .
•
Voltaje de Trabajo UR (Duty Cycle Rating): Voltaje máximo que puede ser aplicado al pararrayos bajo unas condiciones de un ciclo de trabajo, que consta de la combinación de secuencias de descargas de corriente nominal y condiciones de precalentamiento.
•
Voltaje Residual: Valor pico de voltaje que aparece entre los terminales del pararrayos cuando circula una corriente de descarga. Este valor depende de la forma de onda de corriente de descarga, por lo cual se ha normalizado una forma de onda de corriente de
8/20 µ seg. como representativo para las sobretensiones atmosféricas. Este valor se especifica para esta forma de onda y para diferentes valores pico de corriente de descarga
(1). •
Capacidad Energética de Corta Duración
kJ/kV: Máxima cantidad de energía que puede
absorber el pararrayos durante un tiempo específico a un voltajhe determinado a 60 Hz. Generalmente se expresa en kJ/kV del MCOV
o UR (1) .
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•
Capacidad de Alivio de Presión: Capacidad máxima de corriente ( traducido en la formación de gases y a la aparición de una presión interna en el pararrayos) que puede soportar el pararrayos sin que se produzca una ruptura brusca de su cubierta externa. Esta corriente se visualiza como la corriente de cortocircuito del sistema en el punto de aplicación del pararrayos (1).
4.3.1. Selección del Voltaje Nominal o de su Máximo Voltaje de Operación Continua (MCOV) (1). Para calcular el MCOV, se debe establecer en primer luga r, que éste debe ser superior a Um fasetierra. Esto se debe, a que el pararrayos no debe actuar en condiciones normales de operación del sistema. Además de esto, se debe tomar en cuenta el porcentaje de regulación que se estima entre el 5 % y el 10 % del Voltaje Nominal. En este sentido,
Um
3
=
Umfase
−
neutro
COV > 1.05Umfase − neutro
EC. 4.4
EC. 4.5
Cabe destacar, que las EC 4.4 y 4.5 son aplicables para descargadores instalados entre fase y tierra.
4.3.2. Selección sobre la base de su Capacidad Energética 4.3.2.1. Capacidad de Soporte a las sobretensiones temporarias (TOV) (1) Se estima el Máximo Voltaje del Sistema Um (entre 5-10% del Vn):
Um = 1.05 × Vnsistema
EC. 4.6
Posteriormente se define el Factor de Sobretensión Temporaria (Ce), que se expresa en términos del Voltaje Máximo fase a tierra, de acuerdo con la EC. 4.7 :
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Vx = Ce × Um / 3
EC. 4.7
Vx representa la máxima sobretensión temporaria, mientras que el Factor de Sobretensión Temporaria (Ce), depende del tipo de Sistema (Puesta a Tierra): a) Sistema con Neutro Efectivamente Puesto a Tierra: Ce ≤ 1.4 b) Sistema con Neutro Flotante: Ce=1.73 c) Sistema con Neutro Puesto a tierra a través de una impedancia: 1.4 < Ce < 1.73 El factor de sobretensión temporaria (Ce) es similar al factor de puesta a tierra (ke), la diferencia es que Ce expresa el factor de increme nto de voltaje rms fase a fase respecto al voltaje máximo rms fase a tierra del sistema. La máxima sobretensión temporaria Vx será aplicada al descargador durante un tiempo tx , el cual representa el tiempo que tardan las protecciones en despejar la falla, que en Alta Tensión se estima de 1 a 4 segundos en el peor de los casos (Según norma ANSI/IEEE C62.22-1997) (12). Una vez
conocidos estos datos, se calcula el Factor de Sobretensión como se muestra a
continuación: Fs = Vx / Voltajeder eferencia ,
EC. 4.8
Este voltaje de referencia puede ser el Voltaje Nominal del pararrayos (MCOV) o el UR . Una vez conocido el Factor de Sobretensión se verifica en las gráficas del fabricante el tiempo máximo (tm) de soporte para ese valor, obteniéndose como posibles escenarios los siguientes: •
Si tx > tm se debe seleccionar un MCOV mayor al previamente seleccionado.
•
Si tx < tm se trabaja con el MCOV resultante de la primera selección.
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4.3.2.2. Capacidad de Soporte a las sobretensiones atmosféricas y de maniobra (1) a) Sobretensiones de maniobra (1) Durante sobretensiones por maniobra existen incrementos de la energía acumulada y de la temperatura, que dependiendo de la magnitud y duración del evento pueden superar el punto crítico en el cual se produce el deterioro del material de óxido de zinc (pastillas). Es por ello, que resulta necesario estimar una serie de factores que nos pueden llevar a calcular la energía (kJ) que se pudiera generar en el pararrayos durante la sobretensión. En este sentido, el fabricante del equipo establece una serie de datos al respecto, con la finalidad de seleccionar el pararrayos adecuado según sea el caso. Es preciso destacar, que el procedimiento de obtención de la energía (kJ) es el mismo para descargadores bajo las normas
ANSI/IEEE C.62.22-1997 (12) e IEC 99-4:1991 (13). La
diferencia se produce una vez obtenido este valor como se explica más adelante. Se considera la descarga de línea como la sobretensión por maniobra de mayor contenido energético. Esta se interpreta como un proceso de energización de una línea de transmisión con carga atrapada, como se muestra en la siguiente figura (Figura 4.1):
Figura 4.1. Esquema de Evaluación de la Descarga de Línea (13) Es posible estimar la magnitud de la sobretensión por maniobra por descarga de línea UL (kV) por intermedio de la tabla anexa (Anexo # 2) tomando en cuenta diversos factores, la localización del
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pararrayos, el tipo de operación del interruptor, la presencia de resistencia de preinserción, compensadores reactivos y presencia de líneas paralelas. Dada la sobretensión de maniobra por descarga de línea de magnitud UL (kV) ,la forma de calcular la energía absorbida por el pararrayos durante la sobretensión es la siguiente:
W (kJ ) = Id × Ures × 2T × n
EC. 4.9
Donde:
•
Id es la corriente de descarga del pararrayos, calculada como:
Id=(U L-U res )/Z
•
EC. 4.10
U res es el voltaje residual del pararrayos para sob retensiones de maniobra (kV) dado por el fabricante.
•
Z es la impedancia de onda, la cual resulta típicamente 350 Ω para líneas aéreas, y entre 30-60 Ω para líneas subterráneas.
•
T es el tiempo de propagación de la onda ( µ seg.), calculado como:
T=long. línea (km)/velocidad de propagación (km/ µ seg.)
EC. 4.11
Si el pararrayos está asociado a una línea en particular, se debe tomar la longitud de esa línea, mientras que si está asociado, por ejemplo a un transformador; es conveniente tomar la longitud de la línea más larga perteneciente a la subestación. En cuanto a la velocidad de propagación de la onda, se estima que para líneas aéreas es de 0.3 km/ µ seg. , mientras que para líneas subterráneas es de aproximadamente 0.15 km/ µ seg. •
Finalmente, n representa el número de descargas consecutivas.
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Este último parámetro depende de las protecciones que estén asociadas a la subestación o sistema. Esta energía absorbida por el pararrayos debe ser soportada por el mismo. En este sentido, el fabricante especifica la capacidad energética para cada equipo según norma. La norma
IEC 99-4:1991 establece cinco clases de pararrayos según su capacidad energética
para sobretensiones de maniobra por descarga de línea (Ver Anexo # 3). La norma
ANSI/IEEE C62.22-1997, clasifica los descargadores en cuatro categorías para la
capacidad de energía para sobretensiones por maniobra: Tipo Estación, Intermedio, Distribución y Secundario. Los catálogos de los diferentes tipos de descargadores proporciona n el valor máximo o la capacidad energética que puede soportar el pararrayos, el valor calculado de W (kJ) no debe superar este valor. Si la energía (kJ) calculada supera el valor especificado en el catálogo, se selecciona un pararrayos con un
MCOV mayor, teniendo en cuenta la reducción existente en los márgenes de
protección.
b) Sobretensiones Atmosféricas (1) La selección de la capacidad energética para sobretensiones atmosféricas se realiza basada principalmente en factores cualitativos como son: •
Importancia de los elementos protegidos
•
Aislamiento de las líneas
•
Condiciones de apantallamiento
•
Condiciones de puesta a tierra
• •
Número de líneas en paralelo Densidad elevada de descargas atmosférica
En este sentido, las normas establecen diferentes corrientes de descarga para sobretensiones atmosféricas. La norma IEC 99-4:1991 establece un criterio al respecto, el cual se muestra en la siguiente tabla (Tabla 4.4 ), que relaciona la clase del pararrayos por sobretensiones atmosféricas y de maniobra.
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Sobretensiones Atmosféricas
Sobretensiones por Maniobra
20 kA
clases # 4 y 5 de descarga de línea
10 kA
clase # 3 de descarga de línea
10 kA
clase # 1 y 2 de descarga de línea
Tabla 4.4. Clasificación de descargadores ante sobretensiones atmosféricas y de maniobra (13) La norma
ANSI/IEEE C62.22-1997, asocia a los descargadores de sobretensión valores de
corriente nominal de acuerdo a los tipos Estación, Intermedio, Distribución (Servicio Pesado, Normal o Ligero). La
Tabla 4.5 muestra las recomendaciones de selección de la corriente de
descarga de pararrayos para sobretensiones atmosféricas proporcionadas por esta norma.
Clasificación del pararrayos
Valor del pico del impulso (kA)
Estación (800 kV)*
20
Estación (550 kV)*
15
Estación (inferior a 550 kV)*
10
Intermedio
5
Distribución, servicio pesado
10
Distribución, servicio normal
5
Distribución, servicio ligero
5
* Máximo voltaje del sistema
Tabla 4.5. Criterios de selección de pararrayos para sobretensiones atmosféricas (12)
4.3.3. Márgenes de Protección Uno de los parámetros importantes en la instalación de este tipo de descargadores de sobretensión, es el cumplimiento de los márgenes de protección que establece la norma para de esta manera cumplir con la labor de proteger los distintos equipos pertenecientes a las subestaciones. Los valores mínimos requeridos de estos niveles de protección para descargadores
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de óxido de zinc, los cuales se calculan de igua l manera que para los descargadores de carburo de silicio (sección 4.2.3), son los siguientes: •
NP = 1.2 ó MP = 20 % para sobretensiones por maniobra.
•
NP = 1.15 ó MP = 15 % para sobretensiones atmosféricas o frente escarpado (12)
A medida que se incrementa la distancia de separación entre el equipo a proteger y el pararrayos, estos márgenes van disminuyendo; es por ello la importancia de establecer distancias máximas para cada nivel de tensión y de esta manera, tomarla como referencia en el momento de la instalación del descargador. Estas distancias se determinan, de manera similar a los pararrayos de carburo de silicio, para los diferentes niveles de tensión en el Anexo # 4.
