TEMA: Ensayo del procedimiento de selección de pararrayos basado en la norma IEC 60099-4 e IEC60099-5.
18-12-2018
INTRODUCCIÓN En las subestaciones eléctricas convencionales se presentan sobre voltajes transitorios originados por maniobras en el sistema, las cuales generalmente son controlables, y por descargas atmosféricas y condiciones anormales de la red, que son impredecibles. La manera como se protege una subestación eléctrica contra sobre voltajes es realmente un asunto económico, seria costoso aislar los aparatos para que resistan cualquier clase de sobre voltajes, como también, seria poco práctico aislar las subestaciones para el voltaje nominal y aceptar las fallas por sobre tensiones, lo que acarearía daños de los equipos, reparaciones e interrupciones del servicio. El pararrayo es la protección más completa y segura para limitar las sobre tensiones a que está sometido los aparatos de la subestación. Aunque todavía hay en uso una gran cantidad de descargadores de carburo de silicio, los descargadores instalados en la actualidad son casi todos de óxido metálico. Los descargadores de sobretensiones, o abreviadamente, descargadores - (también llamados pararrayos y apartarrayos) constituyen un auxilio indispensable para la coordinación del aislamiento en los sistemas de suministro de energía eléctrica. Allí, las tensiones que pueden aparecer en un sistema de energía eléctrica de alta tensión están expresadas en “por unidad” del valor de cresta de la máxima tensión permanente entre fase y tierra, dependiendo de su duración. Para un mejor estudio sobre el procedimiento de selección de pararrayos nos basaremos en la norma IEC 60099-4 y 60099-5. La norma IEC 60099-4 contiene informaciones mínimas para especificar y para ensayar los pararrayos de oxido metálico sin explosores que se utilizan en sistemas de potencia de corriente alterna. Los pararrayos descritos en esta norma son comúnmente utilizados en instalaciones conectadas a líneas aéreas, en lugar de pararrayos de resistencia variable que son objeto de la norma CEI 99-1. La protección de los cir cuitos de baja tensión (inferior a 3kv) está en estudio. Esta norma incluye un procedimiento de envejecimiento acelerado para simular el efecto a largo plazo de las tensiones y temperaturas sobre los pararrayos de oxido metálico la necesidad de este procedimiento esta relacionada con el hecho de que las resistencias que componen el pararrayo están sometidas permanentemente a la tensión de la red durante todo el tiempo del funcionamiento del pararrayo. En cuanto a la norma 60099-5 en esta parte de IEC 60099 proporciona información, orientación y recomendaciones para la selección y aplicación de descargadores de sobretensiones para ser utilizados en sistemas trifásicos con valores nominales. Tensiones superiores a 1 kV. Se aplica a los descargadores de sobretensiones de óxido de metal sin saltos como se define en IEC 60099-4, para descargadores de sobretensiones que contienen estructuras en serie y con brechas paralelas – clasificadas 52 kV y menos como se define en IEC 60099-6 y pararrayos de óxido de metal con serie externa brecha para líneas aéreas de transmisión y distribución (EGLA) tal como se define en IEC 60099-8.
MARCO TEÓRICO Norma internacional IEC 60099-4 Pararrayos Parte 4: Pararrayos de óxido metálico sin explosores para sistemas de corriente alterna IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACION Identificación de los pararrayos Los pararrayos de oxido metálico se deberán identificar al menos por la siguiente información que aparecerá en una placa permanentemente unida a los mismos.
Tensión de funcionamiento continuo Tensión asignada Frecuencia asignada, si es diferente a las frecuencias nominales Corriente nominal de descarga Corriente asignada del limitador de presión en KA eficaces (para pararrayos equipados con limitadores de precisión). Nombre del fabricante o marca registrada, tipo e identificación del pararrayo completo Identificación de la posición del montaje del elemento en el conjunto (solo para pararrayos de varios elementos) Año de fabricación Número de serie (al menos, para pararrayos con tensiones asignados superiores a 60 kv).
Clasificación de los pararrayos Los pararrayos se clasificarán por los valores nominales de sus corrientes nominales de descarga y cumplirán por lo menos, las condiciones de ensayos y características de funcionamiento especificadas en la tabla 1.
Tabla 1: Clasificación de los pararrayos y ensayos [1].
VALORES ASIGNADOS Los valores normalizados de la tensión asignada de los pararrayos (en kilovatios eficaces) se indican en la tabla 2 en escalones iguales de tensión en las gamas de tenciones especificadas [1]:
Tabla 2: Escalones de tenciones asignadas [1].
Frecuencias asignadas normalizadas Las frecuencias asignadas normalizadas son 50 Hz y 60 Hz.
Corrientes de descargas nominales normalizadas Los valores normalizados de las corrientes de descarga con onda 8/20 son: 20 000 A, 10 000 A, 5 000 A, 2 500 A, y 1 500 A.
CONDICIONES DE SERVICIO Condiciones normales de servicio: Los pararrayos que se ajustan a esta norma deben poder funcionar en las condiciones siguientes de servicio normal: a) b) c) d)
Temperatura ambiente comprendida entre -40 °C a +40°C. Radiación solar Altitud no superior a 1 000 m. Frecuencia de la fuente de alimentación de corriente alterna comprendida entre 48 Hz y 62 Hz.
e) La tensión a frecuencia industrial aplicada continuamente entre los bornes del pararrayo no superara su tensión de funcionamiento continuo. f) Condiciones mecánicas (en estudio). g) Condiciones de contaminación.
PRESCRIPCIONES Resistencia dieléctrica de la envolvente de un pararrayo
La envolvente de un pararrayo cuando se ensaye según el apartado 7.2, deberá soportar las siguientes tensiones: Nivel de protección, a los impulsos tipo rayo, multiplicado por 1,3. Para los pararrayos de 10 000 A y 20 000 A con tensiones asignadas de 200 Kv y superiores, nivel de protección de los impulsos de maniobra, multiplicado por 1,25. Tensión a frecuencia industrial en condiciones de lluvia para los envolventes de pararrayo de tipo exterior y en seco para las envolventes de pararrayos de tipo interior.
Tensión de referencia La tensión de referencia de cada pararrayo deberá ser medida por el fabricante para la corriente de referencia seleccionada, el valor mínimo de la tensión de referencia del pararrayo para la corriente de referencia utilizada para los ensayos individuales deberá estar especificada por el fabricante
Tensión residual El propósito de las mediciones de tensiones residuales es obtener los valores máximos de las mismas para obtener un diseño dado y para todas las corrientes y formas de ondas especificadas.
Descarga parcial En caso de exigir este ensayo, el nivel de las descargas parcia les de un pararrayo sometido a una tensión de 1,05 veces la tensión de régimen permanente no deberá sobrepasar 50 pC.
Estanquidad Los elementos de los pararrayos equipados con envolventes sellados no deben presentar ninguna fuga apreciable.
Distribución de la corriente en un pararrayo de varias columnas En fábricas deberá especificar el valor máximo de la corriente en una columna en un pararrayo que tenga varias.
Estabilidad térmica Por acuerdo entre comprador y fabricante se puede efectuar un ensayo especial térmica.
Resistencia de impulso de corriente de larga duración
Los pararrayos deben estar en función de soportar los impulsos de corriente de larga duración de acuerdo con las modalidades descritas en los ensayos de tipo Para los pararrayos de 10 000 A y 20 000 A, la resistencia de corriente de larga duración se determinará mediante un ensayo de descarga de línea, correspondiente a la descarga de línea especificado por el usuario. Para los pararrayos de 2 500 A y 5 000 A, la resistencia de larga duración se determinará mediante ensayos de impulsos de larga duración. El examen visual de las muestras después del ensayo debe revelar la ausencia total de cualquier traza de perforación, de cebado, de fisura o cualquier deterioro significativo en las resistencias de oxido metálico. Las tensiones residuales medida antes y después del ensayo de corriente de larga duración no deberá variar en más de 5%.
5.9 Funcionamiento del pararrayo Los pararrayos deben ser capaces de soportar las combinaciones de esfuerzos en servicio como se muestra en los ensayos de funcionamientos. Estos esfuerzos no deben ocasionar ni deterioro ni embalamiento térmico.
5.10 características de la tensión a frecuencia industrial en función del tiempo El fabricante debe indicar los tiempos admisibles durante los que la tensión a frecuencia industrial puede aplicarse al pararrayos después de que se haya precalentado a 60 °C y haya sufrido los esfuerzos energéticos correspondientes al ensayo.
5.11 limitadores de presión Cuando un pararrayo esta provisto de un dispositivo limitador de presión, el fallo del pararrayo no deberá provocar la rotura explosiva de la envolvente.
5.12 dispositivos de conexión 5.12.1 resistencia del dispositivo desconexión. Cuando un pararrayos esta desprovisto de un sistema de desconexión, este dispositivo debe soportar, sin funcionar cada uno de los siguientes ensayos.
Ensayo de impulsos de corriente de larga duración Ensayo de funcionamiento
ENSAYOS DE TIPO 7.2 Ensayos de resistencia de aislamiento de la envolvente de un pararrayo. 7.2.6 Ensayo de tensión con impulso tipo rayo El pararrayo será sometido a un ensayo normalizado en seco con impulso tipo rayo de tensión según la norma CEI 60-1.
7.2.7 ensayo de tensión con impulso tipo maniobra
Los pararrayos de 10 000A y 20 000 A con tensiones asignadas de 200 Kv y superiores deberán someterse a ensayos de impulso de tensión tipo maniobra según la norma CEI 60-1. Los pararrayos de uso exterior serán ensayados bajo lluvia. Los pararrayos de uso interior, en seco.
7.2.8. Ensayo de tensión en frecuencia industrial Las envolventes en los pararrayos para uso exterior serán ensayadas bajo lluvia, y las envolventes de los pararrayos para uso interior se ensayarán en seco.
7.3. Ensayos en tensión residual 7.3.1 Ensayo de verificación de la tensión residual con impulso de corriente de frente escarpado. Cada una de las tres muestras deberá ser sometida a un impulso de corriente de frente escarpado con un valor de cresta igual a la corriente de descarga nominal del pararrayos +- 5%.se registrarán las tres crestas de tensión.
7.3.2 Ensayo de verificación de la tensión residual con impulsos de tipo rayo A cada una de las tres muestras se le aplicara un impulso de corriente de tipo rayo con cada uno de los tres valores aproximados de crest a siguientes: 0,5, 1 y 2 veces la corriente de descarga nominal del pararrayo. La duración convencional estará comprendida entre 7 us y 9 us, mientras que la duración del semivalor en la cota puede tener cualquier tolerancia.
7.3.3 Ensayo de verificación de la tensión residual con impulsos tipo maniobra Se aplicará a cada una de las tres muestras un impulso de corriente tipo maniobra con cada uno de los valores especificados en la tabla 3 y con valores especificados en cuya tabla 3 y una tolerancia de +- 5 %.
Tabla 3: valores de resta para el ensayo de verificación de la tensión residual con impulsos tipo maniobra [1].
7.4 Ensayos con impulso de corriente de larga duración 7.4.2. prescripción sobre el ensayo de descarga de línea en pararrayos de 20 000A Y 10 000A. Este ensayo consiste en la aplicación a la muestra a ensayar de impulsos de corriente que simulen la descarga, a través de la misma, de una línea precargada definida por los parámetros dado en la tabla 4.
Tabla 4: parámetros para el ensayo de descarga de línea en pararrayos de 20 000A Y 10 000A [1].
Ur es la tensión asignada de la muestra en ensayo en Kv eficaces.
7.4.3 Prescripción del ensayo de corriente de larga duración en pararrayos de 5 000A Y 2 500 A El generador utilizado para este ensayo suministrara un impulso de corriente que cumpla los siguientes requisitos: a) La duración convencional de la cresta debe estar comprendida entre el 100% y el 120% del valor especificado en la tabla 5. b) La duración total convencional no será superior al 150% de la duración convencional de la cresta. c) Las oscilaciones o las sobrecargas iniciales no excederán el 10% del valor de cresta de la corriente. Si hay oscilaciones, se determinara el valor de cresta trenzado una curva media. d) De la cresta de la corriente estará comprendida entre el 90% y el 110% del valor especificado en la tabla 5 el primer impulso y entre 100% y el 110%de este valor para los siguientes impulsos.
Tabla 5: prescripción para el ensayo con impulso de larga duración sobre pararrayos de 5 000A Y 2 500A [1].
7.5 Ensayos de funcionamiento 7.5.4 Ensayo de funcionamiento a los impulsos de corriente de gran amplitud Este ensayo se aplicará a los pararrayos de 1 500 A, 2 500 A, 5 000 A Y 10 000 A de clase de descarga de linea1, así como los pararrayos para corrientes de descarga tipo rayo elevadas.
Tabla 6: prescripciones para los impulsos de corriente de gran amplitud [1].
Entre los dos impulsos, la fracción debe ser precalentada en un horno de forma que la temperatura en el momento de la aplicación del segundo impulso sea de 60 °C +-3°C los ensayos deberán efectuarse a la temperatura ambiente de 20 °C +-15 °C.
7.5.5. Ensayo de funcionamiento con sobretensiones de maniobra Este ensayo a los pararrayos de 10 000 A de clase dos y tres de descarga de línea, así como a los pararrayos de 20 000 A de la clase 4 y 5 de descarga de línea [1].
Norma internacional IEC 60099-5 Pararrayos Parte 5: recomendaciones para la selección y utilización EC 60099-5: no es una norma obligatoria, pero proporciona información, orientación y recomendaciones para la selección y aplicación de descargadores de sobretensiones que se utilizarán en sistemas trifásicos con voltajes nominales superiores a 1 kV. Se aplica a los descargadores de sobretensiones de óxido de metal sin saltos como se define en IEC 60099-4, a los descargadores de sobretensiones que contienen estructuras en serie y con huecos paralelos - con una capacidad nominal de 52 kV y menos como se define en IEC 60099-6 y descargadores de sobretensiones de óxido de metal con brecha de serie externa para líneas aéreas de transmisión y distribución (EGLA) según lo definido en IEC 600998. En el Anexo H, se discuten algunos aspectos relacionados con el antiguo tipo de descargadores con huecos de SIC. Esta segunda edición cancela y reemplaza la primera edición publicada en 1996 y su enmienda 1 publicada en 1999. Esta edición constituye una revisión técnica. - Se amplió la discusión de los diferentes tipos de descargadores y su aplicación, incluidas las adiciones a la discusión sobre la transmisión de los descargadores de línea, los descargadores para los descargadores de conmutación de condensadores de derivación para la protección de condensadores en serie, la aplicación de paradores entre las fases que conectan los descargadores en paralelo; - Adición de una sección sobre gestión de activos, que incluye: gestión de desc argadores de sobretensiones en la red eléctrica, mantenimiento de descargadores, análisis significativamente ampliado de herramientas de diagnóstico de rendimiento, consideraciones sobre el final de la vida útil [2].
Método general para la selección del pararrayo Para la selección de pararrayos, se recomienda el proceso iterativo siguiente, -
Determinar la tensión de servicio continuo del pararrayo en función de la tensión de servicio mas elevada de la red - Determinar la tensión designada del pararrayos en función de las sobretensiones temporales. - Estimar la magnitud y la probabilidad de las corrientes de descarga de tipo rayo previsibles a través del pararrayos para determinar los requisitos relacionados con la descarga de las líneas de transporte y seleccionar la corriente nominal de descarga, el valor de corriente de impulso as elevado y la clase de descarga de línea del pararrayo.
-
Seleccionar la clase de limitador de presión del pararrayo en función de la corriente defecto previsible. Seleccionar un pararrayo adaptado a los requisitos formulados arriba. Determinar las características de protección de impulsos tipo rayo y tipo maniobra. Colocar el pararrayos tan cerca como sea posible del equipo a proteger Determinar la tensión soportada de coordinación de impulso tipo maniobra del equipo protegido, teniendo en cuenta las sobretensiones de frente lento representativas y la configuración de la red. Determinar la tensión soportada de coordinación a impulsos de tipo rayo considerando: La onda de sobretensión La configuración de la subestación La distancia entre el pararra yo y el equipo protegido
- determinar el nivel de aislamiento asignado del equipo de acuerdo con la CEI 600711 [2].
CONCLUSIONES
La norma IEC 60099-4 contiene informaciones mínimas para especificar y para ensayar los pararrayos de oxido metálico sin explosores que se utilizan en sistemas de potencia de corriente alterna. Los descargadores de Oxido Metálico o comúnmente llamados pararrayos o apartarrayos son muy indispensables para la coordinación del aislamiento. Estos han ido remplazando a los descargadores de Carbono de Silicio. Los descargadores de OM más utilizados son sin explosores, es decir, resistores hechos de óxido metálico. En cuanto a la norma IEC 60099-5 proporciona información, orientación y recomendaciones para la selección y aplicación de descargadores de sobretensiones para ser utilizados en sistemas trifásicos con valores nominales. Tensiones superiores a 1 kV .
REFERENCIAS [1] I.E.C., «"Metal-oxide surge arresters without gaps",» SEGUNDA EDICION , ESPAÑA, 2004. [2] I.E.C., «"Selection and application recommendations",» Edicion 2.0, 2013.
