DESCARGADORES DE SOBRETENSION O PARARRAYOS Y COORDINACION DEL AISLAMIENTO

Introduccin En la vida moderna, la energa elctrica se ha convertido en un factor imprescindible para el desempeo de las sociedades. En el proceso de generacin, trasmisin, distribucin y uso de la misma se generan algunos problemas, entre ellos las sobretensiones, que pueden ser producidas por el sistema o bien son debidas a factores externos a las instalaciones. Las sobretensiones deben ser limitadas para evitar daos a los equipos y a las personas y animales expuestos a las mismas. El mtodo mas utilizado para la limitacin de las sobretensiones es el uso de los descargadores de sobretension o pararrayos. Otra posibilidad es la 'coordinacin del aislamiento', que consiste en configurar las propiedades aislantes de todos los equipos del sistema elctrico de forma que este no se vea afectado por las sobretensiones. stas se producen, utilizando un trmino bastante literal, a la velocidad del rayo, y poder soportarlas implica el uso de un aislamiento de enormes dimensiones, el cual, adems de ocupar un valioso espacio, conlleva costes adicionales. En general, un pararrayos es un dispositivo cuya misin es proteger los equipos y fundaciones de los efectos desastrosos de las sobretensiones. Segn su forma proteccin pueden ser de tres tipos:

1. Pararrayos ionizantes o tipo franklin 2. Pararrayos desionizantes 3. Pararrayos de redes y equipos o supresores de sobretension

I.- PARARRAYOS TIPO FRANKLIN

Un pararrayos tipo franklin es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo y canalizar la descarga elctrica hacia tierra, de modo tal que no cause daos a construcciones o personas. Fue inventado en 1753 por Benjamn Franklin mientras efectuaba una serie de experimentos sobre la propiedad que tienen las puntas agudas, puestas en contacto con la tierra, de descargar los cuerpos electrizados situados en su proximidad. Pueden ser ionizantes pasivos e ionizantes semiactivos.

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Estn compuestos por una barra de hierro coronada por una punta de cobre o de platino colocada en la parte ms alta de la zona protegida. La barra est unida, mediante un cable conductor, a tierra (la toma de tierra es la prolongacin del conductor que se ramifica en el suelo, o placas conductoras tambin enterradas, o bien un tubo sumergido en el agua de un pozo).

El radio de la zona de proteccin de un pararrayos, en principio, es igual a su altura desde el suelo, y evita los daos que puede provocar la cada de un rayo sobre otros elementos, como redes elctricas, subestaciones, edificios, rboles o personas y animales.

Principio de Funcionamiento

Consiste en que la descarga electrosttica se produce con mayor facilidad, siguiendo un camino de menor resistividad elctrica, por lo cual un metal se convierte en un camino favorable al paso de la corriente elctrica. Los rayos caen tambin principalmente en los objetos ms elevados ya que su formacin se favorece cuanto menor sea la distancia entre la nube y la tierra.

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1.1- Pararrayos ionizantes pasivos. (Puntas simple Franklin, PSF) Caractersticas bsicas. Son electrodos de acero o de materiales similares acabados en una o varias puntas, denominados Punta simple Franklin, no tienen ningn dispositivo electrnico ni fuente radioactiva. Su medida vara en funcin del modelo de cada fabricante, algunos fabricantes colocan un sistema metlico cerca de la punta para generar un efecto de condensador. Principio de funcionamiento. Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia

de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos, la instalacin conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra, la tensin elctrica generada por la tormenta, para compensar la diferencia de potencial en el punto ms alto de la instalacin. Durante el proceso de la tormenta se generan campos elctricos de alta tensin que se concentran en las puntas mas predominantes, a partir de una magnitud del campo elctrico alrededor de la punta o electrodo, aparece la ionizacin natural o efecto corona, son mini descargas disruptivas que ionizan el

Aire, este fenmeno es el pri no

En funcin de la transferencia o intercambio de cargas, se puede

energa acumulada; el proceso puede repetirse varias veces.

ncipio de excitacin para trazar un camiconductor que facilitara la descarga del fenmeno rayo.

apreciar en la PSF, chispas diminutas en forma de luz, ruido audible, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenmeno arranca una serie de avalancha electrnica por el efecto campo, un electrn ioniza un tomo produciendo un segundo electrn, ste a su vez junto con el electrn original puede ionizar otros tomos produciendo as una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrn provocan una excitacin que deriva en el fenmeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de caractersticas gaseosas al lmite de su ruptura dielctrica, el rayo es el resultado de la saturacin de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la

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Funcin

Proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y o su impacto para conducir su potencial de alta tensin a la toma de

tierra elctrica.

Se han dado casos que el efecto trmico ha fundido varios centmetros ro de la punta Franklin.

Estn formados por electrodos de acero o de materiales similares acabados en sistema electrnico que genera un avance en el

cebado del trazado; No incorporan ninguna fuente radioactiva, tienen un

Se basa esencialmente en canalizar por la toma de tierra la diferencia de bezal del pararrayos. La instalacin conduce

primero hacia arriba por el cable desnudo de tierra, la tensin elctrica

ntas mas predominantes, a partir de una magnitud del campo elctrico alrededor de la punta o electrodo,

capturand

Nota:

de ace

1.2- Pararrayos ionizantes Semi-activos (pararrayos con dispositivo de cebado, PDC)

Caractersticas bsicas.

una punta, incorporan un

dispositivo electrnico sensible compuesta de diodos, bobinas, resistencias y condensadores, inundados en una resina aislante, todo ello blindado; otros incorporan un sistema piezoelctrico. Los dos sistemas se caracterizan por anticiparse en el tiempo en la captura del rayo una vez que se produce la carga del dispositivo de excitacin. Las medidas de los cabezales varan en funcin del modelo de cada fabricante.

Principio de funcionamiento.

potencial entre la nube y el ca

generada por la tormenta, al punto ms alto de la instalacin para compensar la diferencia de potencial. El sistema electrnico aprovecha la influencia elctrica del aumento de potencial entre la nube y la tierra, para auto alimentar el circuito electrnico y excitar la avalancha de electrones, la excitacin del rayo se efecta ionizando el aire por impulsos repetitivos, segn aumente gradualmente la diferencia de potencial aportada por la saturacin de cargas elctrico-atmosfricas aparece la ionizacin natural o efecto corona, son mini descargas peridicas que ionizan el aire , este fenmeno es el principio de excitacin para trazar un camino conductor intermitente que facilitara la descarga del fenmeno rayo.

Durante el proceso de la tormenta se generan campos de alta tensin que se concentran en las pu

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aparece la ionizacin por impulsos, son pequeos flujos elctricos, se puede apreciar en forma de diminutas chispas de luz, ruido audible a frito, radiofrecuencia, vibraciones del conductor, ozono y otros compuestos. Este fenmeno arranca una serie de avalancha electrnica por el efecto campo, un electrn ioniza un tomo produciendo un segundo electrn, ste a su vez junto con el electrn original puede ionizar otros tomos produciendo as una avalancha que aumenta exponencialmente. Las colisiones no resultantes en un nuevo electrn provocan una excitacin que deriva en el fenmeno luminoso. A partir de ese momento el aire cambia de caractersticas gaseosas al lmite de su ruptura dielctrica, el rayo es el resultado de la saturacin de cargas entre nube y tierra, se encarga de transferir en un instante, parte de la energa acumulada en el condensador atmosfrico ( nube-tierra ); el proceso puede repetirse varias veces.

El dispositivo electrnico del PDC est conectado en serie entre el soporte del cabezal y el cabezal areo

Funcin

Proteger las instalaciones del impacto directo del rayo, excitando su carga y o su impacto para conducir su potencial de alta tensin a la toma de

tierra elctrica.

carga de 25 a 68 s, micro-segundos.

El sistema de cebado necesita un tiempo de carga para activar el ue generara un impulso, a continuacin volver

a efectuar el mismo proceso mientras exista el aporte de energa

el sistema de cebado; Durante ese proceso, el efecto de ionizacion se

s electromagnticos, est instalado en el cabezal areo ( PDC) dentro de la influencia de los efectos trmicos,

capturand

Estos equipos se caracterizan por incorporar un sistema de cebado que anticipan la des

Dispositivo de cebado

dispositivo electrnico q

natural, este tiempo de carga del dispositivo electrnico no se contabiliza en los ensayos de laboratorio de alta tensin de un PDC.

En el campo de aplicacin, el dispositivo electrnico instalado en la punta del PDC, necesita un tiempo de trabajo para la cargar d

retrasa en la punta del PDC referente a los sistemas convencionales de pararrayos Franklin.

El dispositivo de cebado est construido con componentes electrnicos sensibles a los campo

electrodinmicos y electromagnticos del rayo. En fusin de la intensidad de descarga del rayo la destruccin del dispositivo electrnico es radical, a partir de ese momento la eficacia del PDC no

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esta garantizada y la instalacin de proteccin queda fuera de servicio.

Algunos fabricantes aconsejan la revisin del circuito electrnico del pararrayos cada vez que recibe un impacto.

.- PARARRAYOS DESIONIZANTES PASIVOS (TECNOLOGA CHARGE RANSFER SYSTEM, CTS)

izadores de Carga Electroesttica (PDCE), incorporan un sistema de transferencia de carga, no incorporan

alizar por la toma de tierra la diferencia de potencial entre la nube y el cabezal del pararrayos, manteniendo as el campo

IIT

Caractersticas bsicas.

Los Pararrayos Desion

ninguna fuente radioactiva. Se caracteriza por transferir la carga electroesttica antes de la formacin del rayo anulando el fenmeno de ionizacin o efecto corona. El cabezal del pararrayos est constituido por dos electrodos de aluminio separados por un aislante dielctrico, todo ello soportado por un pequeo mstil de acero inoxidable. Su forma es esfrica y el sistema est conectado en serie con la propia toma de tierra para transferir la carga electroesttica a tierra evitando la excitacin e impacto directo del rayo.

principio de funcionamiento.

Se basa esencialmente en can

elctrico estable a nivel de tierra, la instalacin conduce primero hacia arriba, por el cable desnudo de tierra; la tensin elctrica generada por la tormenta elctrica al punto ms alto de la instalacin, durante el proceso de la tormenta se genera campos de alta tensin que se concentran en el electrodo inferior (ctodo -) , a partir de una magnitud del campo elctrico, el electrodo superior (nodo +) atrae cargas opuestas para compensar la diferencia de potencial interna del cabezal , durante el proceso de transferencia, en el interior del pararrayos se produce un flujo de corriente entre el nodo y el ctodo, este proceso natural anula el efecto corona en el exterior del pararrayos, no produciendo descargas disruptivas, ni ruido audible, ni radiofrecuencia, ni vibraciones del conductor. Durante el proceso, se produce una fuga de corriente a tierra por el cable conductor elctrico de baja resistencia, los valores mximos que se pueden registrar durante el proceso de mxima actividad de la tormenta , no superan los 300 miliamperios.

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Objetivo

impacto directo en la zona de proteccin para proteger a las personas,

I.- PARARRAYOS DE REDES Y EQUIPOS O SUPRESORES DE OBRETENSION

Son dispositivos elctricos formados por una serie de elementos resistivos no lineales y explosores que limitan la amplitud de las sobretensiones. Se

cargar las sobretensiones cuando su magnitud llega al valor de la tensin

iones

ual debe ser menor que la mxima tensin que resisten

Por su construccin se pueden dividir en:

Cuernos de arqueo Autovalvulares

Evitar el

animales e instalaciones. El conjunto de la instalacin se disea para canalizar la energa del proceso anterior a la formacin del rayo desde el cabezal areo hasta la toma de tierra. ( las instalaciones de la puesta a tierra y cables del pararrayos estn reguladas segn las normativas de baja tensin)

IIS

disponen siempre conectados a la red o equipo a proteger.

Funciones

Des Conducir a tierra la corriente de descarga producida por las

sobretens Volver a su estado original al desaparecer las sobretension

La tensin residlos aparatos a ser protegidos

De xidos metlicos

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3.1- Cuernos de arqueo

Son los pararrayos ms antiguos, estn constituidos por un solo explosor en el aso ms sencillo, o por varios explosores en serie, conectado por un lado al

circuito a proteger, y por el otro a la red de tierra c

Este es el tipo ms econmico, tiene la desventaja de que una vez iniciada la descarga, en los explosores se ioniza el aire presente y la corriente de descarga se convierte en una corriente de cortocircuito a tierra que solo se

Estn formados por una serie de resistencias no lineales de carburo de silicio able, conectadas en serie con varios explosores

de forma intercalada.

puede eliminar con la apertura de un interruptor o fusible adecuado.

3.2- Pararrayos Autovalvulares

(SiC), con inductancia despreci

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Las resistencias evitan que, una vez una vez iniciada la descarga en los explosores, la misma sea permanente. Adems permiten disminuir las distancias de los explosores con lo que proporcionan mayor sensibilidad a los explosores.

Las resistencias no lineales son unos pequeos cilindros formados por partculas de carburo de silicio (SiC) con dimensiones del orden de los 200 micrones.

La interaccin de entre el carburo de silicio y el material aglutinador generan una resistencia no lineal, con la cual se obtiene la curva caracterstica tensin-Corriente correspondiente. Estos resistores tienen la propiedad de disminuir su resistencia en presencia de sobretensiones y aumentarlas a un valor prcticamente infinito al regresar la tensin a su valor nominal

Funcionamiento

Cuando se origina una sobretension, se produce un arqueo en los explosores, iniciando la conduccin a tierra de la energa excesiva, en este momento las resistencias presentan su valor mnimo el cual ira aumentando a medida que disminuye el valor de la tensin, la corriente resultante es limitada a pequeos valores hasta que en una de las pasadas por cero de la onda de corriente, la misma es interrumpida definitivamente gracias al aumento de las resistencias y la accin de los explosores.

En la figura siguiente se presenta el efecto de una onda de choque sobre un pararrayos de tipo autovalvular.

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3.3- Pararrayos de xidos Metlicos

Esta basado en las propiedades semiconductoras de los xidos metlicos, especialmente se ha desarrollado un pararrayos de oxido de zinc (ZnO). La curva tensin-Corriente de las resistencias de este material es menos lineal que la del carburo de silicio. La constitucin de las resistencias es similar a las de carburo de silicio pero de menor tamao y se apilan en una columna hueca de porcelana, sin explosores.

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Funcionamiento

Cuando de produce un aumento de la tensin los resistores disminuyen sus ndo una rpida reduccin de los niveles de tensin a la vez

que las resistencias retorna a sus valores nominales limitando la corriente de valores, provoca

paso a tierra

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Caracteristicas Electricas de los Pararrayos

s el valor mximo de tensin rms a frecuencia industrial entre los terminales del pararrayos para la cual esta diseado para operar correctamente durante

z.

so que pasa a travs del descargador.

ominal

20s que puede conducir el descargador en un numero y sucesin definidos.

Tension Residual:

escarga

n:

ando es aplicada a un pararrayos, produce el inicio de la descarga.

Tension de Referencia:

nsin a frecuencia industrial, medido cuando por el descargador circula la corriente de referencia.

Seleccin de pararrayos

para la cual se puede interrumpir la corriente remanente de una falla transitoria.

Uno de los puntos a tomar en cuenta en la seleccin del pararrayos son las

tierra, en funcin de ello se usan pararrayos del 100%, 80% y 75%.

Tension Nominal:

E

10 segundos a 60H

Corriente de Descarga:

Es la corriente de impul

Corriente de Descarga N

Es el valor pico de la corriente de descarga un impulso de 8/

Es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de d

Tension de Reaccio

Es el valor pico ms bajo de una onda de tipo atmosfrico a la cual, cu

Valor pico ms alto dividido por 2 (valor RMS) de la te

La seleccin del valor nominal del pararrayos Vn es aquel valor de la tensin

tensiones de falla a tierra. Como sabemos, la magnitud de estas sobretensiones depende del mtodo utilizado para la conexin del neutro a

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En sistemas con el neutro aislado se utiliza el 100%. Para los dems se utilizan curvas como las mostradas a continuacin, y en funcin de la relacin existente entre la reactancia de secuencia cero del sistema (X0) y la de secuencia positiva (X1) y Ro y X1 se selecciona el tipo de pararrayos en %

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Como una gua para la Seleccin de la tensin nominal de DST ZnO, la norma ANSI/IEEE C 62.11 de 1987 presenta una tabla relacionando la tensin nominal y la mxima tensin continua de operacin (MCOV).

Caractersticas principales de los descargadores de sobretension

Mientras la tensin de entrada no alcance cierto valor predeterminado, deben comportarse como un aislador

Cuando la tensin alcance dicho valor, debe conducir a tierra toda la corriente producida por la sobretension

Despus de desaparecida la sobretension y reestablecida la tensin nominal, debe ser capaz de interrumpir la corriente drenada a tierra.

Pruebas de los Pararrayos

IEC 99-1 (Lightning Arresters )

- Temperatura: -40C y +40C - Altitud: 1000 msnm - Frecuencia: 48 a 60 Hz - Condiciones especiales de fabricacin

Pruebas Especiales

- Prueba de trabajo bajo capa contaminante - Prueba de corrosin rpida - Prueba con cambio de temperatura - Prueba de vibracin - Prueba de movimientos ssmicos

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Especificaciones Tecnicas de los Pararrayos

- Tensin de reaccin - Tensin residual al impulso de voltaje de rayo (1.2/5.0 seg) - Tensin residual al impulso de voltaje de maniobra (250/2500 seg) - Corriente nominal de descarga - Capacidad de absorcin de energa - Tipo (SiC o de ZnO) - Caracterstica V-I - Otros (Dimensiones, aro sobre el descargador, entrehierros)

Coordinacin del Aislamiento

Son acciones a tomar en la prevencin de daos al equipo elctrico debido a sobretensiones. O, de otra manera, el la totalidad de las medidas tomadas para restringir los arqueos y perforaciones del aislamiento causados por sobretensiones.

La coordinacin del aislamiento compara las caractersticas de operacin de un pararrayos, dadas por sus curvas de tensin-tiempo, contra las caractersticas de respuesta del aislamiento del equipo a proteger dadas tambin sus propias curvas tensin tiempo; o sea, se refiera a la correlacin entre los esfuerzos dielctricos aplicados y los esfuerzos dielctricos resistentes.

El propsito de la coordinacin del aislamiento es determinar las necesarias y suficientes caractersticas de aislamiento de varios componentes de la red para obtener el soporte uniforme para la tensin normal y las sobretensiones de diverso orgenes. Su objetivo final es garantizar una distribucin de la potencia segura y optima.

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Estudio de la coordinacin del aislamiento para una subestacin La optimizacin de la seleccin del nivel de aislamiento, se logra utilizando la metodologa establecida en la norma internacional IEC-60071-2. Sin embargo, la aplicacin del mtodo requiere una serie de parmetros a considerar como son:

conocimiento del sistema en cuanto a las Sobretensiones que pueden generar Ubicacin de la instalacin referente a la altitud Actividad atmosfrica en la zona Indices de comportamiento permitido, es decir, ndice de falla del equipo

e ndice de salida de las lneas que estarn conectadas a la subestacin PROCEDIMIENTO DE CLCULO

Determinar el criterio de comportamiento de las lineas que llegan a la S/ E y del equipo a instalar.

Caractersticas de los pararrayos (proteccin) en base a los cuales se selecciona el nivel de aislamiento.

Clculo de coordinacin de aislamiento.

TENSIONES A SER CONSIDERADAS EN EL ESTUDIO DE COORDINACIN DE AISLAMIENTO SOBRETENSIONES REPRESENTATIVAS INTERNAS DEL SISTEMA. Bsicamente son dos las sobretensiones que estn relacionadas a la configuracin del sistema en el momento del transitorio y a la operacin misma,

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estas son: Sobretensiones Temporales y Sobretensiones de Frente Lento. Las primeras, en general y para nuestro caso, sern las generadas por fallas monofsicas a tierra y las segundas por maniobras de interruptores. TENSIONES DE AGUANTE DE COORDINACIN. Como su nombre lo indica, en esta etapa del proceso se considera la relacin (coordinacin) entre los eventos transitorios del sistema (sobretensiones representativas), los elementos de proteccin (apartarrayos) y el comportamiento deseado del equipo en trminos de falla (ndices). Todo eso combinado, deber resultar en una tensin que debe aguantar el equipo cuando se encuentre en operacin. 4.3 TENSIONES DE AGUANTE REQUERIDAS. An cuando ya se han determinado las tensiones de aguante, existen algunas otras influencias y parmetros a considerar, adicionalmente a lo establecido en el punto anterior, las cuales se relacionan a la seguridad y al sitio en donde se instalar el equipo (S/E). Los factores son:

Factor de Seguridad Sitio de instalacin (condiciones atmosfricas).

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