1.5 selección de descargadores de transitorios

Características de un descargador de transitorios de óxidos metálicos sin espacio entre los discos

Características de un descargador de transitorios de óxidos metálicos con espaciamientos en paralelo (shunt gaps)

Características de un descargador de transitorios de óxidos metálicos con espaciamientos en serie (series gaps)

Arreglos de descargadores.

A) protección de fase a fase

Interconexión a tierra

1. Seleccione el descargador. 1.1 Máximo voltaje de operación continua (MCOV) ≥ máximo Vfn. 1.2 Capacidad de conducir sobre voltaje temporal (TOV ) ≥ TOV del

sistema. 1.3 Capacidad de conducir la energía de impulsos provocados por

switcheos ≥ que la producida por el sistema. 1.4 Clase del descargador:

(1) Voltajes disponibles (2) Alivio de Presión

(3) Durabilidad 2. Seleccione el nivel de protección del descargador 2.1 nivel de protección de impulso al rayo, LPL 2.2 nivel de protección de frente de onda, FOW 2.3 nivel de protección de impulso al switcheo, SPL 3. Localize el descargador,

Tan cerca como sea posible del equipo a proteger

Procedimiento paso a paso para Selección de Descargadores de óxidos metalicos ZnO, Sección 5.2 de IEEE Std C62.22-1997 (Revisión of IEEE Std 62.22-1991) IEEE Guide for the Application of Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating-Current Systems

Definiciones nivel de aislamiento básico de impulso al rayo (BIL): La fuerza eléctrica del aislamiento expresado en términos del

valor de cresta de un impulso normal de un rayo bajo condiciones atmosféricas normales. BIL será expresado estadística ó convenconalmente. Las pruebas se realizan con impulsos de onda completa de 1.2/50 ms como lo especifica la norma adecuada para el equipo a proteger.

basic switching impulse insulation level (BSL): The electrical strength of insulation expressed in terms of the

crest value of a standard switching impulse. BSL may be expressed as either statistical or conventional. The test impulse depends on the type of equipment.

chopped Wave Withstand (CWW): Tests are made with a 1.2/50 ms impulse chopped by the action of a gap in a minimum time as specified in the appropriate product standard.

Definicioneswave wave frontfront

Definiciones wave front: (of an impulse) frente de onda: (de un impulso) Aquella parte de un

impulso que ocurre antes de su valor de cresta.

virtual duration of wave front: (of an impulse) The virtual value for the duration of the wave front is as follows:

a) For voltage waves with wave front durations less than 30 ms, either full or chopped on the front, crest, or tail, 1.67 times the time for the voltage to increase from 30% to 90% of its crest value.

b) For voltage waves with wave front durations of 30 ms or more, the time taken by the voltage to increase from actual zero to maximum crest value.

c) For current waves, 1.25 times the time for the current to increase from 10% to 90% of crest value.

4. Determine el voltaje en las terminales del equipo. Los efectos de la longitud del descargador y la distancia de separación descargador - transformador pueden determinarse en el Anexo C.

5. Seleccione el esfuerzo en el aislamiento. Ver estándares del equipo para BIL’s, BSL’s y CWW’s.

6. Evalúe la coordinación 6.1 Si los efectos de la distancia de separación pueden despreciarse, las

relaciones de protección para descargas atmosféricas PRL1 y PRL2 y los impulsos de switcheo PRS, tienen coordinación aceptable si:PRL = CWW/FOW ≥ 1.20PRL2= BIL/LPL ≥ 1.20PRS= BSL/SPL ≥ 1.15



6.2 Si el voltaje en las terminales del equipo son calculadas mediante el Anexo C, los radios de protección son como sigue:

Si el tiempo de cresta del voltaje del descargador es menor o igual a 2 s:PRL1=CWW/VTPML1=(PRL1-1)100%

Si CWW no existe ó el tiempo de cresta del voltaje del descargador es mayor de 2 s:

PRL2= BIL/VTPML2=(PRL2-1)100%También :PRS=BSL/SPLPMS=(PRS-1)100%

Para una coordinación aceptable PRL1 ó PRL2 Y PRS tienen que ser igual ó mayor que 1.15 (PML1 ó PML2 y PMS≥15)


7. Evalúe otras alternativas.Si una coordinación aceptable no puede lograrse, evalúe las

siguientes características:(1) Aumente el BIL y el BSL(2) Reduzca la distancia de separación del descargador(3) Añada descargadores adicionales(4) Use descargadores con menores características de

protección.

Resumen del procedimiento para selección y coordinación de aislamiento de descargadores.

1. Seleccione el descargador.1.1 Máximo voltaje de operación continua (MCOV) ≥ máximo Vfn.

maximum continuous operating voltage rating (MCOV):The maximum designated root-meansquare (rms) value of power frequency

voltage that may be applied continuously between the terminals of the arrester.

Voltaje máx. de operación continua (MCOV). Para cada ubicacion del descargador, su MCOV deber ser igual ó

exceder el MCOV esperado del sistema. La aplicación adecuada requiere que la configuración del sistema (1F, delta ó Y) y la conexión del descargador (F-G, F-F, F-N) sean evaluadas.

Por ejemplo, en sistemas de EAV (EHV) el descargador se conecta típicamente de fase a tierra, por lo tanto, se expone a voltajes de fase a tierra sobre la base de un estado estable.

Por otro lado, un descargador conectado a un devanado terciario con un extremo puesto a tierra, ó un sistema de conexión delta con falla monofásica, está expuesto a un voltaje de fase a fase.


1. Seleccione el descargador.

1.1 Máximo voltaje de operación continua (MCOV) ≥ máximo Vfn. Ejemplo:Subestación alimentada con una línea de transmisión con VLL = 115 kV, Vfn. = 66.39 kV,

de la Tabla 1 seleccionamos un descargador para VLL = 121 kV y Vfn. = 69.8 kV, el cual presenta un rango mínimo de MCOV de 70kV, el máximo MCOV es de de 121kV.

Table 1.-Typical station and intermediate class arrester characteristics

Operación de estado estable: tamaños nominales de descargadores

Y sus voltajes nominales Niveles de protección: rangos de MCOV maximos industriales en pu

Características de durabilidad: IEEE Std C62.11-1993

Max system voltage L-L kV-rmsa

Max system voltage L-G

kV-rmsa

Min MCOV rating kV-rms

Duty cycle ratings kV-

rms

0.5 μs FOW protective

level b

8/20 μs protective

level b

Switching surge

protective levelc

High current withstand

crest amperes

Trans. line discharge

miles

Pressure relief kA rms (symmetrical)

d 4.37 2.52 2.55 3 2.32-2.48 2.10-2.20 1.70-1.85 65 000 150 40-80 8.73 5.04 5.1 6-9 2.33-2.48 1.97-2.23 1.70-1.85 65 000 150 40-80 13.1 7.56 7.65 9-12 2.33-2.48 1.97-2.23 1.70-1.85 65 000 150 40-80

13.9 8.00 8.4 10-15 2.33-2.48 1.97-2.23 1.70-1.85 65 000 150 40-80 14.5 8.37 8.4 10-15 2.33-2.48 1.97-2.23 1.70-1.85 65 000 150 40-80 26.2 15.1 15.3 18-27 2.33-2.48 1.97-2.23 1.70-1.85 65 000 150 40-80 36.2 20.9 22 27-36 2.43-2.48 1.97-2.23 1.70-1.85 65 000 150 40-80 48.3 27.8 29 36-48 2.43-2.48 1.97-2.23 1.70-1.85 65 000 150 40-80 72.5 41.8 42 54-72 2.19-2.40 1.97-2.18 1.64-1.84 65 000 150 40-80

121 69.8 70 90-120 2.19-2.40

1.97-2.18

1.64-1.84

65 000 150 40-80 145 83.7 84 108-144 2.19-2.39 1.97-2.17 1.64-1.84 65 000 150 40-80 169 97.5 98 120-172 2.19-2.39 1.97-2.17 1.64-1.84 65 000 175 40-80 242 139 140 172-240 2.19-2.36 1.97-2.15 1.64-1.84 65 000 175 40-80 362 209 209 258-312 2.19-2.36 1.97-2.15 1.71-1.85 65 000 200 40-80 550 317 318 396-564 2.01-2.47 2.01-2.25 1.71-1.85 65 000 200 40-80 800 461 462 576-612 2.01-2.47 2.01-2.25 1.71-1.85 65 000 200 40-80

Intermediate class 4.37-145 2.52-83.72 2.8-84 3-144 2.38-2.85 2.28-2.55 1.71-1.85 65 000 100 16.1d

Typical transformer secondary surge protection


1.2 Capacidad de conducir sobrevoltaje temporal TOV ) ≥ TOV del sistema.

Temporary overvoltages consist of lightly damped power frequency voltage oscillation, often with harmonics, usually lasting a period of hundreds of milliseconds or longer.

damping (1) The temporal decay of the amplitude of a freeoscillation of a system, associated with energy loss from thesystem.



El descargador seleccionado debe tener ambas capacidades MCOV y TOV, apropiadas para la operación del sistema. Algunas veces uno de los criterios es el decisivo. Un cambio en el ajuste de un relé, ó el uso de interruptores más rápidos puede permitir el uso de descargadores basados en el MCOV cuando el TOV pudo ser decisivo. En ausencia de otra información, se pueden usar los siguientes valores típicos:Grounded neutral systems:

TOV durationLine protection 0.2 sBack-up protection 1 s

Resonant grounded or isolated neutral systems:Without ground fault clearing 3 hWith ground fault clearing 4 s

Definición standard switching impulses The wave shapes of standard impulse tests

depend on equipment being tested:a)For air insulation and switchgear:

250/2500 sb)For transformer products: 100/1000 sc)For arrester sparkover tests:

1)30 –60/90–180 s2)50 –300/400–900 s3)1000 –2000/3000–6000 s (The tail duration is

notcritical)



Ejemplo:

Tiempo de duración = 0.2 sTOV = MCOV × pu Fig 5TOV = 121 × 1.49 = 180.29 kVLLValor que supera un sobre voltaje temporal del sistema de 121 kVLL.

Figure 5. Example of typical arrester TOV data (do not use for application)


1.3 Capacidad de conducir la energía de impulsos provocados por switcheos ≥ que la producida por el sistema.La energía disipada por un descargador, J, en kilojoules, puede estimarse conservadoramente mediante la ecuación:

EA is arrester switching impulse discharge voltage (in kV) for IA , De Tabla 1, EA = 1.64 × 121 = 198.44 kVDe la Nota b de la Tabla 1, IA is switching impulse current (in kA),

IA = 10kA.DL is line length (in miles or kilometers), and DL = 150miv is the speed of light (300 km/ms) or v =186 000 mi/s.La ecuación supone que toda la linea esta cargada con un voltaje transitorio de switcheo probable, (el cual existe en la ubicación del descargador) y es descargado durante el doble del tiempo de viaje de la línea.


ENERGIA DISIPADA POR UNA SECCION DEL DESCARGADOR: J = 150 × 198.44 × 10 / 186000 = 1.60 kJ./sección

(disco) ,

si el descargador cuenta con 30 secciones : J = 1.60× 30 = 48.0 kJ

De la figura 7:ENERGIA PRODUCIDA POR EL SISTEMA: 0.3 kJ/kV × 121 kV = 36.3 kJ

Figure 7 Typical curve for a prospective switching surge voltage versus arrester discharge energy for a 345 kV line.

NOTE In Figure 7, Vs is prospective voltage in per unit of peak line-to-ground system voltage.

Resumen del procedimiento para selección y coordinación de aislamiento de descargadores. 1.4 Clase del descargador:

(1) Voltajes disponibles. La clase de descargador debe seleccionarse en base al nivel de protección requerido. Ver Tabla 1.

Ver Tabla 1

Table 1.-Typical station and intermediate class arrester characteristics

Steady state operation: system voltage and arrester ratings

Protective levels: range of industry maxima per unit of

MCOV Durability characteristics: IEEE

Std C62.11-1993 Max

system voltage L-L kV-rmsa

Max system voltage L-G

kV-rmsa

Min MCOV rating kV-

rms

Duty cycle ratings kV-

rms

0.5 μs FOW

protective level b

8/20 μs protective

level b

Switching surge

protective levelc

High current withstand

crest amperes

Trans. line discharge

miles

Pressure relief kA rms (symmetrical

)d

121 69.8 70 90-120

2.19-2.40 1.97-2.18 1.64-1.84 65 000 150 40-80 NIVELES DE PROTECCION por FRENTE DE ONDA (FOW)

Example: Va = 2.19 × 121 kV = 264,99 kV,Va is surge arrester FOW protective level at 0.5 μs (in kilovolts)

Resumen del procedimiento para selección y coordinación de aislamiento de descargadores. 1.4 Clase del descargador:

(2) Alivio de Presión. En los límites de corrientes, no debe exceder el cortocircuito disponible tanto en nivel de corriente kA, como de la duración del transitorio, en la ubicación del descargador.(3) Capacidad de perdurar con el tiempo (Durabilidad).

Ejemplo:Nuestra línea estará sometida a una Corriente de cortocircuito de 10kA, valor que se encuentra dentro de los límites de corrientes .

Grounded neutral systems: TOV duration, Line protection 0.2 s

Duración del transitorio: Tiempo de descarga: td = 2L/v = 2× 150 / 186000 = 0,0016 s

Durabilidad: 0.2s/0.0016s = 125 descargas.

Si el nivel ceráunico de la región es de 10 descargas/km2/año, tendremos una durabilidad de 12.5 años.

MAPA ISOCERAUNICO DE MEXICO

2. SELECCIONE EL DESCARGADOR 2.1 NIVEL DE PROTECCION DE

IMPULSO AL RAYO, LPL Lightning impulse protective

level (LPL) LPL is the higher of the discharge

voltages established by tests using 8/20 μs discharge current impulses or gap spark over voltages for specified surge voltage waves. The discharge voltage is a function of current magnitude.The appropriate current magnitude is determined by the system voltage per Table 2.

EJEMPLO:LPL = 121 × 1.97 = 238.37 kV

using 8/20 μs discharge current impulses of 10 kA coordinating current.


Maximum system voltage

Coordinating current

(kV) (kA) 72.5 5 121 10 145 10 242 10 362 10 550 15 800 20

Table 2 Recommended currents for determining

discharge voltage in shielded stations with

shielded incoming lines

2.2 NIVEL DE PROTECCION DE FRENTE DE ONDA, FOW

FOW: Front-of-wave protective level. for metal-oxide arresters is : The crest discharge voltage resulting from a current wave through the arrester of lightning impulse classifying current magnitude with a rate-of-rise high enough to produce arrester crest voltage in 0.5 μs

Example:

Va = 2.19 × 121 kV = 264,99 kV, Va is surge arrester FOW protective level at 0.5 μs (in

kilovolts)


2.3 NIVEL DE PROTECCION DE IMPULSO AL SWITCHEO, SPL SPL: The higher value of switching impulse spark over or arrester

discharge voltage that results from a current wave with a time to actual crest of 45 μs to 60 μs. The appropriate current magnitude is based on the system voltage as contained in 5.4.3.

SPL is the higher of either: a) The discharge voltage measured with a current wave through the arrester of switching impulse classifying current magnitude and a time to actual current crest of 45-60 μs; or b) Gap sparkover voltage on similar wave shapes.

The switching impulse classifying currents of Table 4 of IEEE Std C62.11-1993 for a two line substation were calculated by dividing the line charge voltage (E), minus the switching surge-protective level of the minimum arrester rating used at that voltage, by one-half of the surge impedance (ZL) given in Table 5 of IEEE Std C62.11-1993. These currents are considered conservative for most arrester applications, but they may be exceeded in applications involving capacitor banks or cables or in other low-impedance circuits. Manufacturers should be consulted for information on protective levels for currents that exceed the switching impulse classifying current.

Ejemplo SPL = 1.64 × 121 = 198.44 kV


3. LOCALIZE EL DESCARGADOR, TAN CERCA COMO SEA POSIBLE DEL EQUIPO A PROTEGER


4. Determine el voltaje en las terminales del equipo. Los efectos de la longitud del descargador y la distancia de separación descargador-transformador


BIL es Nivel básico de aislamiento de impulso al rayo del transfromador (en kV) C is surge propagation rate in overhead conductors (in feet per microsecond or meters per

microsecond) CWW is Chopped Wave Withstand of transformers (in kilovolts) (1.10 ´ BIL) (IEEE Std C57.12.00-

1993; Anderson [B4]; Table 5) d’ is conductor length between junction J and surge arrester terminal (in feet or meters) d" is conductor length between surge arrester and ground (in feet or meters) d is total surge arrester lead, d’ + d" (in feet or meters) D is maximum allowable separation distance between junction J and transformer terminal (in

feet or meters) di/dt is rate of rise of surge current = 2(S)/Z (in kiloamperes per microsecond) J is common point among transformer lead, surge arrester lead, and surged L is inductance of surge arrester lead d (in microhenries) (Assume 0.4 μH/ft or 1.3 μH/m) N is number of transmission lines, including the surged line S’ is rate of rise of incoming surge on the transmission line (kV/ μs) (Use 11 kV/ μs per kV MCOV

rating to a maximum of 2000 kV/ μs IEEE Std C62.11-1993) S is rate of rise of incoming surge at junction J (in kilovolts per microsecond) Va is surge arrester FOW protective level at 0.5 μs (in kilovolts) (See Table 1) Vsa is voltage across the surge arrester, from junction J to ground (in kilovolts) VT is maximum voltage stress allowable at the transformer (in kilovolts): VT is CWW/1.15 if time to crest voltage is less than 2 μs VT isBIL/1.15 if time to crest voltage is more than 2 μs This assumes a 15% protective margin (See Figure 4) Z is surge impedance of transmission line (in ohms) (Refer to Table 5 in IEEE Std C62.11-1993)

Ejemplo 1

Figure C.8.-Curve for graphical determination of acceptable separation distance of surge arrester from a transformer.

0.068



EJEMPLO:

BIL DEL TRANSFORMADOR = 350 kV (de los datos de placa)

BSL = 0.83 BIL = 0.83 × 350 = 290.5 kV

CWW = 1.1 × 350 = 385 kV.

6. Evalúe la coordinación 6.1 Si los efectos de la distancia de separación pueden

despreciarse, las relaciones de protección para descargas atmosféricas PRL1 y PRL2 y los impulsos de switcheo PRS, son:PRL1 = CWW / FOWPRL1 = 385 / 264.99 = 1.453PRL2 = BIL / LPLPRL2 = 385/238.37 = 1.615PRS = BSL / SPLPRS = 290.5 / 198.44 = 1.464


1.5 selección de descargadores de transitorios

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