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SOBRETENSIONES EN REDES ELÉCTRICAS DE
POTENCIA. (SELECCIÓN DE APARTARRAYOS EN
MEDIA Y ALTA TENSIÓN.)
M. en I. VICTORINO TURRUBIATES GUILLEN
17 de Agosto de 2017
NATURALEZA DE LAS
SOBRETENSIONES
• CARÁCTER INTERNO
• CARÁCTER EXTERNO
17 de Agosto de 2017
CARÁCTER INTERNO
• ENERGIZACIÓN O CIERRE DE UNA LÍNEA
• RECIERRE DE LÍNEA
17 de Agosto de 2017
CARÁCTER EXTERNO
• DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
DIRECTAS
• DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
INDIRECTAS CERCANAS AL SISTEMA
17 de Agosto de 2017
17 de Agosto de 2017
SOLUCIONES A LAS SOBRETENSIONES
EN SISTEMAS ELÉCTRICOS
• DISEÑO DE LA RED (BLINDAJE)
• INSTALACIÓN DE APARTARRAYOS
17 de Agosto de 2017
DISEÑO DE LA RED (BLINDAJE)
Mediante la instalación de hilos de guarda se protege al sistema
de sobretensiones de carácter externo, los hilos de guarda se
instalan en líneas de transmisión y en subestaciones exteriores
17 de Agosto de 2017
DISEÑO DE LA RED (BLINDAJE)
𝑺𝑭𝑭𝑶𝑹 = 𝟐𝑵𝒈𝑳𝑫𝒄𝒄
𝟐𝑷𝒄 − 𝑷𝒎
Donde:
Ng
= Cantidad de descargas [km2/año]
L = Distancia de la línea [km]
Dcc
= Área máxima desprotegida [m2]
Pc
= Probabilidad de que el rayo exceda la corriente
mínima Ic
Pm
= Probabilidad de que el rayo exceda la corriente
máxima Im
MODELO GEOMÉTRICO
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INSTALACIÓN DE APARTARRAYOS
Los apartarrayos son dispositivos que se encuentran
conectados permanentemente en el sistema, operan cuando se
presenta una sobretensión de determinada magnitud,
descargando la corriente a tierra. Su principio general de
operación se basa en la formación de un arco eléctrico entre
dos explosores cuya operación esta determinada de antemano
de acuerdo a la tensión a la que va a operar.
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TERMINOLOGÍA
Tensión nominal de un sistema trifásico.- Es la tensión
eficaz entre fases con que se designa el sistema y a la
que están referidas ciertas características de operación
del mismo.
Tensión máxima de diseño (Vm).- Es el valor máximo de
tensión entre fases para el cual está diseñado el equipo
con relación a su aislamiento así como por otras
características que se refieren a esta tensión en las
normas relativas al equipo.
Tensión nominal.- Es la tensión de designación del
apartarrayos.
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TERMINOLOGÍA
Tensión residual (Vr) de un apartarrayos.- Es la tensión
que aparece entre la terminal de línea y tierra de un
apartarrayos durante el paso de la corriente de descarga
con una onda de 8/20 s.
Tensión de descarga a 60 Hz (V60) de un apartarrayos.-
Es el valor eficaz de la menor tensión a la frecuencia
nominal del sistema entre las terminales de línea y
tierra de un apartarrayos, para la cual esta previsto un
funcionamiento correcto en condiciones de
sobretensiones temporales.
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TERMINOLOGÍA
Tensión de descarga por impulso (Vp) de un
apartarrayos.- Este es el valor mas alto de tensión
obtenida con un impulso de onda y polaridad dadas
(1.2/50 ó 250/2500 s para impulso por rayo o por
maniobra respectivamente), aplicada entre las terminales
de línea y tierra del apartarrayos.
Corriente de descarga del apartarrayos (Id).- Esta
corriente se calcula a partir de las características de
protección y nivel básico de aislamiento del sistema,
generalmente se expresa en kilo amperes kA.
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TERMINOLOGÍA
Impulso de corriente de frente escarpado.- Un impulso de
corriente con un tiempo virtual de frente de 1 μs con
tolerancias en los valores medidos de la onda entre 0.9 μs
y 1.1 μs. El tiempo virtual del valor medio en la cola no
debe ser mayor de 20 μs.
Impulso de corriente por maniobra.- Valor cresta de
una corriente de descarga que tiene un tiempo virtual
de frente entre 30 μs y 100 μs y el tiempo virtual
del valor medio en la cola sea de aproximadamente el
doble del tiempo virtual del frente.
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TERMINOLOGÍA
Impulso de Corriente por Rayo.- Impulso con forma de
onda 8/20 μs con tolerancias en los valores medidos de la
onda entre 7 μs y 9 μs para el tiempo virtual de frente y
entre 18 μs y 22 μs para el tiempo al valor medio en la
cola.
Capacidad de Alivio de Presión.- Capacidad de un
apartarrayos para soportar corrientes de falla sin
explotar violentamente.
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TIPOS DE APARTARRAYOS
• CLASE ESTACIÓN
• CLASE INTERMEDIA
• CLASE DISTRIBUCIÓN
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CLASE CLASE ESTACIÓN
Estos apartarrayos están diseñados para la
protección de los equipos que pueden estar
expuestos a cantidades de
energía significativa debido a la apertura-cierre
de las líneas eléctricas y en lugares donde
pueda existir una corriente de falla de gran
magnitud se fabrican de 3 a 400 kV. Tienen un
rendimiento eléctrico superior porque sus
capacidades de absorción de energía son
mayores, las tensiones de descarga son más
bajas y el alivio de la presión es mayor. El valor
del equipo protegido y la importancia de
la continuidad del servicio en
general, justifican el uso
de apartarrayos clase estación a través de
su rango de tensión.
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CLASE INTERMEDIA
Estos apartarrayos están diseñados para
proporcionar protección económica y fiable de
los equipos eléctricos de media tensión. Los
apartarrayos clase intermedia son una
excelente opción para la protección de
transformadores tipo seco, para su uso en la
apertura-cierre y seccionamiento de equipo en
subestaciones de pequeña potencia y para
la protección de los cables URD. Se encuentran
disponibles en rangos de 3 a 144 kV
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CLASE DISTRIBUCIÓN
Estos apartarrayos se utilizan con frecuencia
para pequeños transformadores enfriados
por aceite y tipo seco, también son utilizados
para la protección de líneas de distribución
aéreas, líneas de distribución subterráneas
(tipo codo) y para transiciones aéreo
subterráneas (riser pole). Se fabrican en un
rango de 3 hasta 34.5 kV
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TIPOS DE APARTARRAYOS PARA
SUBESTACIONES
Los apartarrayos también pueden clasificarse por su clase de
descarga de línea:
• Clase 2. Para tensiones hasta 34.5 kV, en aplicaciones de
transición aéreo-subterráneo.
• Clase 3. Para tensiones hasta 230 kV
• Clase 4. Para tensiones de 400 kV
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CARACTERÍSTICAS DE
APLICACIÓN
• TENSIÓN NOMINAL
• LOCALIZACIÓN
• CORRIENTE DE DESCARGA
• MARGEN DE PROTECCIÓN
• TENSIÓN RESIDUAL
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TENSIÓN NOMINAL
Características de aplicación de los apartarrayos.
Tensión nominal (Vn).
Vn = Ke Vmáx.
Donde:
Vn = Tensión nominal del apartarrayos en KV.
Ke = Factor de conexión a tierra cuyo valor depende de las
relaciones:
R0/X
1y X
0/X
1
Para propósitos de cálculos aproximados, el valor de Ke se
puede tomar como 0.8 para sistemas con neutro efectivamente
aterrizado en los que se debe cumplir que:
R0/X
1 1.0 y X
0/X
1 3.0
Para sistemas con neutro flotante el valor de Ke se toma como 1.0
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LOCALIZACIÓN
La distancia entre el apartarrayo y el equipo a proteger debe ser
tal, que proporcione un margen de protección cuyo valor debe ser
al menos, por encima de los mínimos recomendados (20% para
impulso por rayo y 15% para impulso por maniobra).
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LOCALIZACIÓN
17 de Agosto de 2017
LOCALIZACIÓN
17 de Agosto de 2017
LOCALIZACIÓN
En la figura 1 se puede observar que a medida que se aleja el
apartarrayos, la tensión que aparece en la instalación V(X) es
mayor, si se hace un análisis por el método de las reflexiones
sucesivas se obtiene que la tensión que aparece en un objeto a
una distancia x del apartarrayos se calcula con la expresión
siguiente:
V(X) = Vp
+ 2 s t
siendo:
s = Pendiente del frente de onda (índice de
elevación) en KV/s.
Vp
= Tensión de descarga del apartarrayos en KV.
t = Tiempo de recorrido de la onda en s.
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LOCALIZACIÓN
Como en conductores aéreos la onda de sobre tensión viaja a la velocidad
de la luz, entonces:
𝒗 = 𝟑𝟎𝟎𝒎/𝝁𝒔
Por lo tanto, el tiempo de recorrido de la onda es:
𝒕 =𝒙
𝒗(𝝁𝒔)
teniendo entonces:
𝒕 =𝒙
𝟑𝟎𝟎(𝝁𝒔)
La tensión a la distancia x es:
Entonces: 𝑽 𝒙 = 𝑽𝒑 +𝟐𝒔𝒙
𝟑𝟎𝟎
𝒙 =𝟑𝟎𝟎 (𝑽 𝒙 − 𝑽𝒑)
𝟐𝒔donde:
x=Distancia eléctrica del apartarrayos al objeto por proteger, en metros.
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CORRIENTE DE DESCARGA
Con relación a la selección de la corriente de descarga de los
apartarrayos, se puede mencionar que sólo las descargas cercanas a las
subestaciones, someten a los apartarrayos a condiciones severas de
operación y para determinar este aspecto cuantitativamente se requiere
de la determinación de datos estadísticos de mediciones de corriente de
rayo.
Para dar una idea de este aspecto se puede mencionar, que la norma
americana ANSI C 62.2 (Standard Guide for Aplication of Valve Arresters
for A. C. Systems), muestra que las corrientes de descarga de los
apartarrayos en las subestaciones tienen una distribución como la
indicada en la tabla.
TABLA 1
Porcentaje de las corrientes del
rayo que pueden exceder a los
valores de corriente indicados
Valor en KA
5% 65
10% 50
20% 35
70% 9
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CORRIENTE DE DESCARGA
La corriente de descarga del apartarrayos se calcula a partir de las
características de protección y nivel básico de aislamiento (NBI) del
sistema generalmente se expresa en kiloamperes a partir de la expresión:
𝑰𝒅 =𝟐𝑬 − 𝑽𝒓𝒁𝟎 + 𝑹
donde:
𝑬 = Es la magnitud de la onda entrante a la subestación a través de la
línea de transmisión expresada en KV, que se puede determinar como:
𝑬 =𝟐𝒆
𝑵Siendo e el valor de la onda incidente y n el número de líneas
entrantes a la subestación.
𝑽𝒓 = Tensión residual del apartarrayos (KV).
𝒁 𝟎 = Impedancia característica de la línea en ohms.
𝑹 = Resistencia del apartarrayos en ohms.
𝑰𝒅 = Corriente de descarga en KA
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CORRIENTE DE DESCARGA
De una manera sencilla, para una línea de entrada en la
subestación, la corriente de descarga del apartarrayos se calcula
a partir de las características de protección y nivel básico de
aislamiento (NBI) del sistema generalmente se expresa en
kiloamperes a partir de la expresión:
𝑰𝒅 = 𝑲𝟐 𝑵𝑩𝑨𝑰
𝒁𝟎
N = Nivel Básico de Aislamiento del sistema en KV
K = Factor que depende de la distancia al punto de descarga
Id = Corriente de descarga en KA
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CORRIENTE DE DESCARGA
La selección de los apartarrayos debería estar basada sobre las
condiciones de sobretensiones máximas esperadas, de manera que el
apartarrayos empleado debe ser capaz de soportar estas condiciones con
un riesgo de falla mínimo en el mismo.
Para tomar en consideración el efecto de las reflexiones sucesivas de las
ondas del rayo desde el punto de la descarga y que tienden a incrementar
la corriente de descarga del apartarrayos, a las expresiones para el
cálculo de esta corriente se les multiplica por un factor “K” que depende
de la distancia al punto de la descarga (D) y de la longitud de la cola de
onda pudiéndose tomar los valores que aparecen en la siguiente tabla:
TABLA 2
D (mts) Factor K
700 3
1,600 2
3,200 1
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MARGEN DE PROTECCIÓN
A la diferencia que debe existir, entre el nivel básico de
aislamiento al impulso del aislamiento por proteger y la
máxima tensión que puede aparecer en el apartarrayos, se le
conoce como MARGEN DE PROTECCIÓN. Se establece que
debe ser como mínimo del 20% para impulsos por rayo y 15%
para impulsos por maniobra, generalmente se expresa en por
ciento y se obtiene con las siguientes expresiones:
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MARGEN DE PROTECCIÓN
17 de Agosto de 2017
MARGEN DE PROTECCIÓN
Para impulsos por rayos:
Margen de protección = (NBAI) – (Máxima tensión en el apartarrayos) x 100
Máxima tensión en el apartarrayos
Para impulso por maniobra:
Margen de protección = (NBAI) – (Máxima tensión en el apartarrayos) x 100
Máxima tensión en el apartarrayos
La máxima tensión en el apartarrayos puede ser la tensión de
descarga por impulso o la tensión residual, (la mayor de las dos).
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TENSIÓN RESIDUAL
Es el valor cresta de tensión que aparece en las
terminales de un apartarrayos durante el paso de la
corriente de descarga.
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NIVELES DE AISLAMIENTO
NORMALIZADOS
TABLA 3. NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADOS PARA EQUIPO DE LA CATEGORÍA "A".
Tensión nominal
del sistema.
KV (eficaz)
Tensión máxima
de diseño.
KV (eficaz)
Nivel básico de aislamiento al
impulso (NBI) de fase a tierra.
KV (cresta)
Tensión resistente
nominal a 60 Hz de
fase a tierra.
KV (eficaz)Hasta
500 KV
Arriba de 500
KV
13.8 15.5 95 110 34
23 26.4 150 50
34.5 38 150 70
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NIVELES DE AISLAMIENTO
NORMALIZADOS
TABLA 4. NIVELES DE AISLAMIENTOS NORMALIZADOS PARA EQUIPO DE
CATEGORÍA “B”
Tensión nominal
del sistema
Tensión nominal
de diseño
Nivel básico de
aislamiento al
impulso (NBI) de
fase a tierra
Nivel básico de
aislamiento por
impulso (NBI) de
fase a fase.
Tensión
resistente
nominal a 60 Hz
de fase a tierra
KV (eficaz) KV (eficaz) KV (cresta) KV (cresta) KV (eficaz)
69 72.5325
350
325
350140
115 123450
550
450
550
185
230
138 145
450
550
650
450
550
650
185
230
275
161 170
550
650
750
550
650
750
230
275
325
230 245
650
750
850
950
1050
650
750
850
950
1050
275
325
360
395
460
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NIVELES DE AISLAMIENTO
NORMALIZADOS
TABLA 5. NIVELES DE AISLAMIENTO NORMAILIZADO PARA EQUIPO DE LA
CATEGORIA “C”
Tensión nominal
del sistema.
Tensión máxima
de diseño.
Nivel básico de
aislamiento al
impulso (NBI) de
fase a tierra.
Nivel básico de
aislamiento por
impulso (NBS) de
fase a tierra.
Nivel básico de
aislamiento por
maniobra (NBS)
de fase a fase.
KV (eficaz) KV (eficaz) KV (cresta) KV (cresta) KV (cresta)
400 420
1050
1175
1300
1425
950
1050
1425
1550
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CARACTERISTICAS DE PROTECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
TABLA 6. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS PARA APARTARRAYOS CLASE 2
Tensión nominal
del sistema Vn
Tensión nominal
del apartarrayos
Vap
Tensión de
operación
continua Vc
Indice de
elevación de
tensión
(pendiente) del
frente de onda S
Tensiones residuales máximas Vr
A impulsos de
corriente por
maniobra 30/60
µs
Al impulso de
corriente de rayo,
10kA cresta, 8/20
µs
Al impulso de
corriente
escarpado, 10 kA
cresta, 1/20 µs
kV (eficaz) kV (eficaz) kV (eficaz) kV/µs kV (cresta) kV (cresta) kV (cresta)
13.8 12 10.2 100 28 34 41
23 21 17 175 45 57 66
34.5 30 24.4 250 65 81 94
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CARACTERISTICAS DE PROTECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
TABLA 7. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS PARA APARTARRAYOS CLASE 3
Tensión
nominal del
sistema Vn
Tensión
nominal del
apartarrayos
Vap
Tensión de
operación
continua Vc
Indice de
elevación de
tensión
(pendiente) del
frente de onda
S
Tensiones residuales máximas (Vr)
A impulsos de
corriente por
maniobra
30/60 µs
Al impulso de
corriente de
rayo, 10kA
cresta, 8/20 µs
Al impulso de
corriente
escarpado, 10
kA cresta,
1/20 µs
kV (eficaz) kV (eficaz) kV (eficaz) kV/µs kV (cresta) kV (cresta) kV (cresta)
13.8 12 10.2 100.0 28 36 41
2321
24
17
19.5175
200
45
52
58
66
64
73
34.527
30
22
24.4225
250
58
64
75
78
82
91
6954
60
42
48400
500
107
122
134
149
148
168
85 90 70 750 190 222 260
115
90
96
108
70
76
84
750
800
900
190
200
225
222
237
268
260
275
310
138108
120
84
98900
1000
225
250
268
300
310
345
161
120
132
144
98
106
115
1000
1200
1200
250
275
317
300
330
360
345
380
410
230
172
180
192
138
144
154
1200
1200
1200
360
370
390
430
445
475
500
520
550
17 de Agosto de 2017
CARACTERISTICAS DE PROTECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
TABLA 8. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS PARA APARTARRAYOS CLASE 4
Tensión nominal
del sistema Vn
Tensión nominal
del apartarrayos
Vap
Tensión de
operación
continua Vc
Indice de
elevación de
tensión
(pendiente) del
frente de onda S
Tensiones residuales máximas (Vr)
A impulsos de
corriente por
maniobra 30/60
µs
Al impulso de
corriente de rayo,
20kA cresta, 8/20
µs
Al impulso de
corriente
escarpado, 20 kA
cresta, 1/20 µs
kV (eficaz) kV (eficaz) kV (eficaz) kV/µs kV (cresta) kV (cresta) kV (cresta)
400
312
336
360
250
269
288
1200
1200
1200
650
690
733
798
855
918
872
938
1 005
17 de Agosto de 2017
CARACTERISTICAS DE PROTECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA REDES DE
DISTRIBUCIÓN
17 de Agosto de 2017
TABLA 9 - CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS APARTARRAYOS CLASE 1
Tensión
nominal del
sistema Un
Tensión
nominal del
apartarrayos
Ur
Tensión de
operación
continua Uc
Índice de
elevación de
tensión
(pendiente) del
frente de onda
S
Tensiones residuales máximas
A impulsos de
corriente por
maniobra
30/60 µs
Al impulso de
corriente de
rayo, 10 kA
cresta,
8/20 µs
Al impulso de
corriente
escarpado, 10
kA cresta,
1/20 µs
kV (eficaz) kV (eficaz) kV (eficaz) kV/µs kV cresta kV cresta kV cresta
13,810
12
8.4
10.2
75
100
29
35
36
44
40
48
2318
21
15.3
17.0
150
175
53
61
65
76
72
84
34,527
30
22.0
24.4
225
250
79
87
98
108
108
120
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Ejemplo 1.
Determinar las características de protección de los apartarrayos de 115 KV y 34.5 KV
de una subestación de 115/34.5 KV.
Solución:
Para 115 KV según la tabla 4 la tensión máxima de diseño es de 123 kV y si el neutro
está sólidamente conectado a tierra Ke = 0.8
La tensión nominal del apartarrayos debe ser:
𝑽𝒏 = 𝑲𝒆 ∙ 𝑽𝒎á𝒙 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟏𝟐𝟑 𝒌𝑽 = 𝟗𝟖. 𝟒 𝒌𝑽
Suponiendo que la descarga ocurre en un rango de 700 metros de distancia a la
subestación, la corriente de descarga es:
𝑰𝒅 = 𝑲𝟐 𝑵𝑩𝑰
𝒁𝟎
17 de Agosto de 2017
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Con K = 3 (tabla 2) y NBI=550 (tabla 4) ; considerando Z0 = 350
𝑰𝒅 = 𝟑𝟐 ∙ 𝟓𝟓𝟎
𝟑𝟓𝟎= 𝟗. 𝟒 𝒌𝑨
Con estos valores para Id y Vn se consultan las tablas de características de
apartarrayos (tabla 7).
Como en las tablas no se encuentra el valor de 98.4 KV se analizan los valores más
próximos.
Tensión nominal (Vn) kV 96 108
Corriente de descarga (Id) kA 10 10
Tensión de operación continua Vc kV 76 84
Tensión residual con onda de impulso de corriente de descarga de 8/20
s KV237 268
Índice de elevación de tensión (pendiente del frente de onda) 800 900
17 de Agosto de 2017
Valores obtenidos de la Norma de Referencia NRF-003-CFE Apartarrayos de Óxidos Metálicos para
Subestaciones
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Si se supone la instalación de los apartarrayos muy cercana al transformador, los
márgenes de protección son:
𝑴𝑷𝟏 =𝟓𝟓𝟎 − 𝟐𝟑𝟕
𝟐𝟑𝟕∙ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟏𝟑𝟐%
𝑴𝑷𝟐 =𝟓𝟓𝟎 − 𝟐𝟔𝟖
𝟐𝟔𝟖∙ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟏𝟎𝟓. 𝟐%
En ambos casos los resultados son correctos, por lo que dependiendo de las
condiciones técnico – económicas, se selecciona la alternativa más adecuada.
17 de Agosto de 2017
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Solución:
Para 34.5 KV según la tabla 3 la tensión máxima de diseño es de 38 kV y si el neutro
está sólidamente conectado a tierra Ke = 0.8
La tensión nominal del apartarrayos debe ser:
𝑽𝒏 = 𝑲𝒆 ∙ 𝑽𝒎á𝒙 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟑𝟖 𝒌𝑽 = 𝟑𝟎. 𝟒 𝒌𝑽
Suponiendo que la descarga ocurre en un rango de 700 metros de distancia a la
subestación, la corriente de descarga es:
𝑰𝒅 = 𝑲𝟐 𝑵𝑩𝑰
𝒁𝟎
17 de Agosto de 2017
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Con K = 3 (tabla 2) y NBI=150 (tabla 4) ; considerando Z0 = 380
𝑰𝒅 = 𝟑𝟐 ∙ 𝟏𝟓𝟎
𝟑𝟖𝟎= 𝟐. 𝟑𝟔 𝒌𝑨
Con estos valores para Id y Vn se consultan las tablas de características de
apartarrayos (tabla 6).
Tomando los valores para 30 kV tenemos lo siguiente
Tensión nominal (Vn) kV 30
Corriente de descarga (Id) kA 10
Tensión de operación continua Vc kV 24.4
Tensión residual con onda de impulso de corriente de descarga de 8/20
s KV81
Índice de elevación de tensión (pendiente del frente de onda) 250
17 de Agosto de 2017
Valores obtenidos de la Norma de Referencia NRF-003-CFE Apartarrayos de Óxidos Metálicos para
Subestaciones
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Si se supone la instalación de los apartarrayos muy cercana al transformador, el
margen de protección sería
𝐌𝐏 =𝟏𝟓𝟎 − 𝟖𝟏
𝟖𝟏∙ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟖𝟓%
El margen de protección es el adecuado.
17 de Agosto de 2017
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Determinar la distancia máxima permisible del apartarrayos del lado de 115 kVSolución:
𝑽𝒏 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟏𝟐𝟑 = 𝟗𝟖. 𝟒 𝒌𝑽
De la tabla 7, se selecciona un apartarrayos de 108 KV.
𝑽𝒏 = 𝟗𝟔 𝒌𝑽 𝒄𝒐𝒏 𝑺 = 𝟗𝟎𝟎 𝒌𝑽/𝝁𝒔Y la tensión de descarga está en el rango de 200 – 275 kV para el apartarrayos de 96 kV(tabla 7), por lo quetenemos que Vp = 275 KV
𝑽𝒑 = 𝟐𝟕𝟓 𝒌𝑽
𝑽(𝒙) = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝑵𝑩𝑰 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟓𝟓𝟎 = 𝟒𝟒𝟎 𝒌𝑽
𝒙 =𝟑𝟎𝟎(𝟒𝟒𝟎 − 𝟐𝟕𝟓)
𝟐 ∙ 𝟗𝟎𝟎= 𝟐𝟏. 𝟔𝟔 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
17 de Agosto de 2017
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
Determinar la distancia máxima permisible del apartarrayos del lado de 34.5 kVSolución:
𝑽𝒏 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟑𝟖 = 𝟑𝟎. 𝟒 𝒌𝑽
De la tabla 6, se selecciona un apartarrayos de 30 KV.
𝑽𝒏 = 𝟑𝟎 𝒌𝑽 𝒄𝒐𝒏 𝑺 = 𝟐𝟓𝟎 𝒌𝑽/𝝁𝒔Y la tensión de descarga está en el rango de 65 – 94 kV para el apartarrayos de 30 kV(tabla 6), por lo que tenemosque Vp = 94 KV
𝑽𝒑 = 𝟗𝟒 𝒌𝑽
𝑽(𝒙) = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝑵𝑩𝑰 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟏𝟓𝟎 = 𝟏𝟐𝟎 𝒌𝑽
𝒙 =𝟑𝟎𝟎(𝟏𝟐𝟎 − 𝟗𝟒)
𝟐 ∙ 𝟐𝟓𝟎= 𝟏𝟓. 𝟔 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
17 de Agosto de 2017
EJEMPLOS DE SELECCIÓN DE
APARTARRAYOS PARA SUBESTACIÓN
17 de Agosto de 2017
115 kV 34.5 kV
x=21.6
x=15.6
EJEMPLO PARA REDES DE
DISTRIBUCIÓN
Ejemplo 2.
Determinar las características de protección del apartarrayos de para una transición
en una línea de distribución de 13.8 kV
Solución:
Para 13.8 KV según la tabla 3 la tensión máxima de diseño es de 15.5 kV y si el
neutro está sólidamente conectado a tierra Ke = 0.8
La tensión nominal del apartarrayos debe ser:
𝑽𝒏 = 𝑲𝒆 ∙ 𝑽𝒎á𝒙 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟏𝟓. 𝟓 𝒌𝑽 = 𝟏𝟐. 𝟒𝒌𝑽
Suponiendo que la descarga ocurre en un rango de 1600 metros de distancia a la
subestación, la corriente de descarga es:
𝑰𝒅 = 𝑲𝟐 𝑵𝑩𝑰
𝒁𝟎
17 de Agosto de 2017
EJEMPLO PARA REDES DE
DISTRIBUCIÓN
Con K = 2 (tabla 2) y NBI=110 (tabla 3) ; considerando Z0 = 400
𝑰𝒅 = 𝟐𝟐 ∙ 𝟏𝟏𝟎
𝟒𝟎𝟎= 𝟏. 𝟏 𝒌𝑨
Con estos valores para Id y Vn se consultan las tablas de características de
apartarrayos (tabla 9).
Como en las tablas no se encuentra el valor de 12.4 KV se analiza el valor más
proximo
Tensión nominal (Vn) kV 12
Corriente de descarga (Id) KA 10
Tensión de operación continua Vc kV 10.2
Tensión residual con onda de impulso de corriente de descarga de 8/20
s KV44
Índice de elevación de tensión (pendiente del frente de onda) 100
17 de Agosto de 2017
Valores obtenidos de la Norma de Referencia NRF-004-CFE Apartarrayos de Óxidos Metálicos para
Redes de Distribución
Si se supone la instalación de los apartarrayos muy cercana al transformador, los
márgenes de protección son:
𝑴𝑷𝟏 =𝟏𝟏𝟎 − 𝟒𝟒
𝟒𝟒∙ 𝟏𝟎𝟎 = 𝟏𝟓𝟎%
El margen de protección es el adecuado.
17 de Agosto de 2017
EJEMPLO PARA REDES DE
DISTRIBUCIÓN
Determinar la distancia máxima permisible del apartarrayos del ejercio anterioSolución:
De la tabla 9, se selecciona un apartarrayos de 12 KV.
𝑽𝒏 = 𝟏𝟐 𝒌𝑽 𝒄𝒐𝒏 𝑺 = 𝟏𝟏𝟎 𝒌𝑽/𝝁𝒔Y la tensión de descarga está en el rango de 35 – 48 kV para el apartarrayos de 12 kV(tabla 9), por lo que tenemosque Vp = 48 KV
𝑽𝒑 = 𝟒𝟖 𝒌𝑽
𝑽(𝒙) = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝑵𝑩𝑰 = 𝟎. 𝟖 ∙ 𝟏𝟏𝟎 = 𝟖𝟖 𝒌𝑽
𝒙 =𝟑𝟎𝟎(𝟖𝟖 − 𝟒𝟖)
𝟐 ∙ 𝟏𝟎𝟎= 𝟔𝟎𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
17 de Agosto de 2017
EJEMPLO PARA REDES DE
DISTRIBUCIÓN
17 de Agosto de 2017
x=60
13.8 KV.
EJEMPLO PARA REDES DE
DISTRIBUCIÓN
CONCLUSIONES
La tecnología moderna permite limitar las sobretensiones a la frecuencia
de servicio, de tal forma que los contorneamientos y perforaciones
puedan ser completamente impedidos por medios económicos.
Una correcta selección y aplicación de los apartarrayos, va a permitir
que se logre un buen equilibrio entre protección y economía, que
minimizará los daños a los aislamientos del sistema al mismo tiempo que
evitará un gasto económico necesario.
Por su amable atención ¡Gracias!
17 de Agosto de 2017