siemens manual de descargadores de sobretension

Ableiter_Buch_Umschlag_es.FH10 Tue Feb 18 15:27:58 2003 Seite 1

Probedruck

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PRLOGO 1

Prlogo

sta es la primera parte de un libro en dos volmenes sobre descargadores de sobretensionesde xido metlico para alta tensin.

Parte 1: Fundamentos abarca el funcionamiento, la construccin y la disposicin de losdescargadores de sobretensiones de xido metlico. Esta parte brinda una rpida visin deconjunto sin entrar en gran detalle. Aquellas secciones que se han simplificado en beneficio deuna mayor claridad, contienen referencias a la segunda parte donde se encuentran explicacionesampliadas. Sin embargo, para entender los principios bsicos no es necesario leer la segundaparte. Al final de esta primera parte se dan ejemplos de las aplicaciones ms corrientes de losdescargadores de sobretensiones la proteccin de transformadores entre fase y tierra en unasubestacin exterior para varios sistemas de tensiones y diferentes mtodos de puesta a tierradel neutro. Se dan en el apndice, por orden alfabtico, definiciones y explicaciones en la formams concisa posible.

Parte 2: Tpicos seleccionados se ocupa de tpicos especiales, los que slo apenas, o nada,se los menciona en la primera parte. Se incluye, por ejemplo, el desarrollo histrico de losdescargadores de sobretensiones y un breve panorama de la ltima generacin de descargadoresde sobretensiones antes de la introduccin del descargador de xido metlico, es decir, eldescargador de carburo de silicio con explosores, los que an hoy se usan ampliamente. Seintroducirn las normas pertinentes para descargadores y los ensayos descritos en ellas (varios delos cuales estn en proceso de revisin y ampliacin), seguido de una detallada explicacin deimportantes caractersticas elctricas y mecnicas, detalles constructivos, como as tambincaractersticas de funcionamiento, tanto generales como muy especiales, de los descargadores desobretensiones de xido metlico. La discusin de los ltimos desarrollos en el rea de losdescargadores abarcar los descargadores con envoltura polimrica, cuyo desarrollo comenzentre mediados y fines de la dcada de 1980, y los que se usan actualmente para niveles de hasta800 kV. Otros tpicos incluyen diseos en cpsula metlica utilizados para aparatos elctricos deconexin con envoltura metlica (GIS), descargadores para instalaciones de compensacin enserie, los que se conectan en paralelo con grandes bancos a fin de incrementar la capacidad deabsorcin de energa, y descargadores para transmisin en alta tensin en corriente continua(HVDC). Adems se tratar con tipos especiales de aplicaciones, tales como la proteccin deneutros de transformadores o arrollamientos terciarios. Se concluir con un captulo sobresupervisin de descargadores, el que no slo se ocupa de los procedimientos existentes desupervisin, sino tambin de aquellos actualmente en desarrollo.

2 PRLOGO

Hasta el momento, slo la parte 1 est disponible. La parte 2 se encuentra an en elaboracin.Dicha parte se est compilando de manera tal que los tpicos corrientes sobre descargadorespuedan incluirse a ltimo momento. De este modo se actualizar y ampliar continuamente.

No obstante ello, ahora se est publicando la primera parte, lo que se espera y deseaanhelosamente sea tambin de la mayor utilidad. El mayor aprecio a todos aquellos que hayancolaborado con oportunos consejos, crticas y discusiones. Nuestro reconocimiento especial alIng. Fernando Gabriel Roza que realiz la traduccin al espaol y, adems, confeccion elvocabulario tcnico en tres idiomas que se incluye a partir de esta edicin, el que tambinformar parte de los manuales en ingls y en alemn. Esta edicin en espaol incorpora algunascorrecciones y agregados a la edicin en alemn, publicada en julio de 2000 y actualizaciones(especialmente respecto de las ltimas normas IEC editadas) respecto de las ediciones en alemne ingls de 2001. Adems, se la ha actualizado con informacin proveniente de las normasrecientemente publicadas. Las crticas y opiniones adicionales tendientes al mejoramiento deeste manual sern, como siempre, muy bienvenidas.

BERLN, SEPTIEMBRE DE 2002

SIEMENS AG

PTD H 4

13623 BERLIN

GERMANY

[email protected]

Siemens AG 2003

CONTENIDO 3

Contenido

Prlogo...........................................................................................................................................1

Contenido.......................................................................................................................................3

Funciones y Principios de Operacin de los Descargadores de xido Metlico...........................5

Diseo Constructivo de los Descargadores de OM......................................................................17

Configuracin de los Descargadores de OM ...............................................................................33

Seleccin de la Tensin de Operacin Permanente y de la Tensin Nominal...................35

Seleccin de la Corriente Nominal de Descarga ...............................................................39

Seleccin de la Clase de Descarga de Lneas ....................................................................40

Seleccin y Revisin de los Niveles de Proteccin ...........................................................44

Seleccin de la Envoltura ..................................................................................................47

Condiciones de Servicio ....................................................................................................56

Ejemplos ............................................................................................................................56

Ejemplo 1: "Sistema de 66 kV con neutro rgido a tierra" ......................................58

Ejemplo 2: "Sistema de 110 kV con neutro a tierra resonante" ..............................60

Ejemplo 3: "Sistema de 220 kV con neutro rgido a tierra" ....................................62

Ejemplo 4: " Sistema de 380 kV con neutro rgido a tierra;contaminacin industrial"........................................................................................64

Ejemplo 5: "Sistema de 500 kV con neutro rgido a tierra; requisitosespeciales" ...............................................................................................................66

Ejemplo 6: "Sistema de 20 kV con neutro a tierra resonante o neutroaislado" ....................................................................................................................68

Ejemplo 7: "Sistema de 20 kV con neutro rgido a tierra" ......................................70

Normas.........................................................................................................................................73

Bibliografa ..................................................................................................................................77

Temario Previo de la Parte 2 - Tpicos Seleccionados................................................................79

4 CONTENIDO

Apndice: Compendio de descargadores de OM ........................................................................ 83

Vocabulario: Trminos ordenados alfabticamente es espaol Vocabulary: Termsordered alphabetically in spanish Vokabeln: Begriffe alphabetisch sortiert nach demSpanischen................................................................................................................................. 117

FUNCIONES Y PRINCIPIOS DE OPERACIN DE LOS DESCARGADORES DE OM 5

Funciones y Principios de Operacin de los Descargadores dexido Metlico

Los descargadores de sobretensiones o abreviadamante, descargadores (tambin llamadospararrayos y apartarrayos) constituyen un auxilio indispensable para la coordinacin de laaislacin1 en los sistemas de suministro de energa elctrica. La figura 1 aclara esto. All, lastensiones que pueden aparecer en un sistema de energa elctrica de alta tensin estn expresadasen por unidad del valor de cresta de la mxima tensin permanente entre fase y tierra2,dependiendo de su duracin.

Fig. 1: Representacin esquemtica de la magnitud de las tensiones y las sobretensiones en unsistema de potencia elctrica con respecto a su duracin (1 p.u. = 2 Us / 3 )

Se divide en forma aproximada el eje del tiempo en la gama de las sobretensionesatmosfricas (microsegundos), sobretensiones de maniobra (milisegundos)3, sobretensionestemporarias (segundos) citadas comnmente mediante la abreviacin "TOV" , y por ltimo lamxima tensin permanente de operacin del sistema, ilimitada en el tiempo. La tensin osobretensin que puede alcanzarse sin el uso de descargadores es de una magnitud de varios p.u.

1 Los trminos subrayados se explican con mayor detalle en el apndice. En la versin electrnica del

manual, al picar sobre los trminos aparecern automticamente las definiciones en la pantalla.2 1 p.u. = 2 Us / 33 De acuerdo a la IEC 60071-1, las sobretensiones atmosfricas pertenecen a las sobretensiones de frente

escarpado, y las sobretensiones de maniobra pertenecen a las sobretensiones de frente suave.

6 FUNCIONES Y PRINCIPIOS DE OPERACIN DE LOS DESCARGADORES DE OM

Si, en cambio, se considera la curva de la tensin resistida de la aislacin del equipamiento (eneste caso equipamiento significa equipos elctricos tales como transformadores de potencia), seobserva que comenzando por la gama de las sobretensiones de maniobra1, y especialmente paralas sobretensiones atmosfricas, la aislacin del equipamiento no puede resistir los esfuerzosdielctricos que se producen. En este punto es donde intervienen los descargadores, mientras queen servicio normal, lo cierto es que la tensin que aparece en los terminales del equipo manteniendo siempre un adecuado margen de seguridad estar por debajo de la tensinresistida. Por lo tanto, el efecto de los descargadores involucra las sobretensiones2 atmosfricas yde maniobra.

Aunque todava hay en uso una gran cantidad de descargadores con explosores con resistoreshechos de carburo de silicio (SiC), los descargadores instalados en la actualidad son casi todosdescargadores de xido metlico (OM) sin explosores, lo que significa con resistores hechos dexido metlico (resistores de xido metlico o resistores de OM). La caracterstica distintiva deun resistor de OM es su caracterstica tensin-corriente o caracterstica U-I extremadamentealineal, haciendo innecesaria la desconexin de los resistores de la lnea mediante explosores enserie, como sucede en los descargadores con resistores de SiC. Las corrientes que atraviesan eldescargador, dentro de la gama de las posibles tensiones aplicadas de frecuencia industrial, sontan pequeas, que el descargador prcticamente se comporta como un aislador. Si, no obstante,se inyectan en el descargador corrientes de impulso en el orden de los kiloamperios, tales comolas que aparecen con sobretensiones atmosfricas o de maniobra, la tensin resultante en susterminales permanecer lo suficientemente baja, como para proteger la aislacin del aparatoasociado, de los efectos de la sobretensin.

En la Figura 2 se da un ejemplo de la caracterstica U-I de un descargador tpico de OMconectado entre fase y tierra en un sistema 420 kV con neutro rgido a tierra3. Sobre el eje deordenadas se representan linealmente los valores de cresta de las tensiones, mientras que sobre elde abscisas los valores de cresta de las corrientes se representan en una escala logartmica. En lafigura, la caracterstica se prolonga por una gama de corrientes desde 50 A hasta 50 kA, esdecir, ms de nueve dcadas de magnitud. Abajo, movindose de izquierda a derecha por lacaracterstica, se explican algunos trminos importantes.

1 Las sobretensiones de maniobra no juegan un papel importante en los sistemas de distribucin y de

transmisin de tensiones inferiores, pero adquieren importancia al elevarse el nivel de tensin en lossistemas de alta y extra alta tensin.

2 En general, los descargadores no pueden, ni es su finalidad, limitar sobretensiones temporarias. Deben,ms bien, disearse para resistirlos sin sufrir averas.

3 En la parte 2 se representa la caracterstica U-I con mayor detalle.


Fig. 2: Caracterstica U-I de un descargador de OM tpico en un sistema de 420 kV con neutro rgidoa tierra

La tensin de frecuencia industrial que se aplica permanentemente al descargador es lamxima tensin fase-tierra del sistema. En este caso el valor de cresta es:

= 2 Us / 3 = 2 420 kV / 3 = 343 kV1

Al mismo tiempo, la llamada corriente permanente circula a travs del descargador. sta secompone de una gran componente capacitiva y de una componente resistiva considerablementemenor. Por lo general, la corriente permanente es como tambin puede verse en la Figura 3 en su mayor parte capacitiva. Sin embargo, en la caracterstica U-I slo se representa lacomponente resistiva. En este ejemplo es res 100 A, mientras que la corriente total tiene unvalor de cresta de alrededor de 0,75 mA.

El prximo punto caracterstico significativo es la tensin de operacin permanente deldescargador. Para ste, formalmente se usa el smbolo Uc de acuerdo a las normas IEC; en loscrculos angloamericanos el trmino usual es MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage Tensin Mxima de Operacin Permanente). sta es la tensin de frecuencia industrial a la quepuede operar el descargador sin restriccin alguna. Asumiendo que se energiza al descargadorcon un voltaje equivalente a su tensin de operacin permanente, son vlidas todas laspropiedades de los descargadores que se hayan demostrado en los ensayos de tipo. Como se

1 Al configurar los descargadores, es de suma importancia, no partir de la tensin nominal del sistema (en

este caso, 380 kV), sino, en cambio, de la tensin mxima del sistema Us, que en la mayora de los casoses idntica a la tensin mxima de los equipos Um. Si no se dispone informacin de la Us, debera usarseUm a fin de obtener una disposicin estable del descargador.


aprecia en la Figura 2, la tensin de operacin permanente es mayor que la mxima tensinpermanente que aparece entre fase y tierra. Se recomienda una tolerancia de al menos un 5%(IEC 60099-5, clusula 3.2.1). Con ella se toman en cuenta posibles armnicas en la tensin delsistema. En el ejemplo elegido el descargador tiene una tensin de operacin permanente deUc = 268 kV, lo que es casi un 11% por arriba de la mxima tensin permanente fase-tierraposible1.

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 5 10 15 20Tiempo / ms

Tens

in/

kV

-1,00

-0,75

-0,50

-0,25

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

Cor

rient

e / m

A

Tensin

Corriente

Fig. 3: Tensin aplicada y corriente permanente del descargador de muestra de la Fig. 2 funcionandocon una tensin fase- tierra (Us = 420 kV, Ur = 336 kV)

El nombre del prximo punto caracterstico es algo engaoso. La tensin nominal (smbolo:Ur) de un descargador de xido metlico no es, como en principio se podra asumir, una tensinque puede aplicarse ilimitadamente (como la ya mencionada tensin de operacin permanente).En lugar de ello sta caracteriza la capacidad de un descargador de operar frente a lassobretensiones temporarias del sistema, y slo puede aplicarse temporariamente un perodo detiempo de 10 segundos. Algunos fabricantes permiten un tiempo de 100 segundos. Lacaracterstica muestra que bajo estas condiciones existe una corriente permanente (msprecisamente, su componente resistiva) de aproximadamente 1 mA, lo cual, por otra parte,conducira a un significativo incremento de la temperatura del descargador, pero no dentro de unlapso de diez o hasta de cien segundos. La causa real de este lmite de tiempo es el repentinoelevado incremento en la temperatura y la frecuente elevacin de la corriente permanente (en larepresentacin simplificada de la Figura 2 no se muestra la dependencia respecto de latemperatura de la caracterstica U-I), luego de que, por ejemplo, el descargador ha derivado unaimpulso de corriente a tierra (es decir, luego de "operar o actuar"). En este caso una aplicacin

1La seleccin de una tensin de operacin permanente superior a la mnima requerida tiene un efecto

beneficioso sobre la estabilidad de un descargador en operacin permanente; vase la seccinConfiguracin de Descargadores de OM.


prolongada de la tensin mominal podra tornar al descargador incapaz de refrigerarse; en sulugar, lo volvera trmicamente inestable y seguira calentndose continuamente hasta llegar a laautodestruccin (llamada avalancha trmica).

La tensin de operacin permanente y la nominal de un descargador se relacionandirectamente entre s. El valor de esta relacin es casi siempre 1,25, con slo unas pocasexcepciones, y adems, no depende del fabricante1. Resulta entonces en el ejemplo elegido unatensin nominal de Ur = 1,25 Uc 336 kV2.

Con esto concluye la descripcin del tramo de la caracterstica U-I correpondiente a latensin de ferecuencia industrial. Contina luego la curva dentro de un rea en la cual aunincrementos mnimos de tensin llevan a un significativo incremento de la corriente. Se reservasta para eventos transitorios dentro de la gama de los milisegundos y los microsegundos, enotras palabras, para sobretensiones de maniobra y atmosfricas. La aplicacin de tensin defrecuencia industrial en esta rea de la caracterstica destruira al descargador en una fraccin desegundo.

La caracterstica en la regin de corrientes superiores a aproximadamente 100 A describe lascaractersticas de proteccin del descargador. Su parmetro ms importante es el nivel deproteccin a impulso atmosfrico representado en la Figura 2. ste representa la cada de tensinque se produce entre los terminales del descargador cuando circula la corriente nominal dedescarga a travs del mismo. La corriente mencionada es un impulso atmosfrico de corriente deforma normalizada, cuya amplitud se asigna segn las diferentes clases, de 1,5 kA a 20 kA, deacuerdo a la norma IEC 60099-4. Para descargadores de alta tensin (en sistemas con Us 123kV) son comunes solamente las clases 10 kA y 20 kA. La corriente nominal de descarga revelapoco acerca de las propiedades del descargador. Dos "descargadores de 10 kA " pueden tenerpropiedades muy diferentes. Por lo tanto, al seleccionar un descargador, la corriente nominal dedescarga no puede considerarse independientemente. Para el ejemplo en la Figura 2, seseleccion un descargador de 10 kA. La afirmacin "nivel de proteccin a impulso atmosfrico =823 kV" significa: una tensin con un mximo de 823 kV cae entre los terminales cuando seinyecta un impulso atmosfrico de corriente de 8 s de tiempo virtual de frente, 20 s de tiempovirtual hasta la mitad en la cola y un valor de cresta de 10 kA. Asimismo estas relaciones serepresentan en la Figura 4.

1 Sin embargo no hay una explicacin fsica directa para esta relacin. Ha resultado ser puramente empri-

ca.2 Cuando se redondea en el resultado de estos clculos, pueden aparecer desviaciones de hasta 1 kV. Vase

los ejemplos de aplicaciones al final del manual.


Un nivel de proteccin a impulso atmosfrico de 823 kV significa que el valor de cresta de latensin durante una descarga, comenzando desde la operacin normal a tensin fase-tierra, seincrementa en un factor de aproximadamente 2,4 (823 kV dividido por 343 kV), mientras que almismo tiempo la amplitud de la corriente lo hace en ocho dcadas de magnitud (desde 100 Ahasta 10 kA). Ello corrobora la extrema alinealidad de la caracterstica tensin-corriente deldescargador.

-1000

100200300400500600700800900

0 5 10 15 20 25 30 35-2024681012141618

Tiempo / s

Tens

in

/ kV

Cor

rient

e / k

A

Tensin

Corriente

Fig. 4: Tensin residual del descargador de muestra de la Fig. 2 (Ur = 336 kV) a una corrientenominal de descarga (In = 10 kA)

Normalmente el equipamiento en el sistema de 420 kV tiene una tensin normalizadaresistida a impulso atmosfrico1 de 1425 kV. No obstante, no se admite que este valor (detensin de ensayo) sea alcanzado alguna vez en la prctica. En conformidad con la gua deaplicacin sobre coordinacin de la aislacin IEC 60071-2, la mxima tensin que puedeaparecer en operacin, en el caso de una aislacin no-autorregenerativa, debera estar por debajode este valor en un factor de 1,15, es decir, no exceder los 1239 kV. Sin embargo, el nivel deproteccin a impulso atmosfrico de 823 kV del descargador de muestra parece, en un principio,ofrecer una proteccin ms que suficiente. No obstante, debera observarse que este valorrepresenta una tensin entre los terminales del descargador, causada por la circulacin de unacorriente de ensayo normalizada ideal al mismo nivel que la corriente nominal de descarga deldescargador. Tres causas significativas pueden hacer posible que la tensin en los terminales delequipamiento a proteger tome un valor considerablemente mayor:

1 Frecuentemente se menciona al BIL basic lightning impulse insulation level (nivel bsico de aislacin

a impulso atmosfrico) en este contexto. No obstante, este trmino, proveniente de las normasamericanas, no est definido en las normas IEC (vase el comentario sobre el BIL en el apndice).


Descargador (umax = 823 kV) Transformador

Sobretensin (pendiente s = 1000 kV/s)

30 m

Fig. 5: Disposicin simplificada para ilustrar la zona de proteccin de un descargador (vase laexplicacin en el texto)

a) Procesos de ondas progresivas: las sobretensiones rpidamente crecientes se propaganen forma de ondas progresivas por la lnea. En aquellos lugares donde la impedancia de onda dela lnea se modifica (puntos de discontinuidad), se producen refracciones y reflexiones. Enespecial, una onda de tensin se reflejar positivamente en su totalidad cuando alcance unextremo abierto de la lnea (lnea en vaco). El nivel de tensin en todo instante y en todo puntode la lnea resulta de la suma de los diferentes valores instantneos de cada onda individual detensin. As, en el extremo de la lnea este valor se duplicar. Un transformador conectado seasemeja a un extremo abierto, dado que la inductividad de su arrollamiento presenta una granimpedancia a las frecuencias elevadas comparada con la impedancia de onda de la lnea.Mediante el ejemplo simplificado (Figura 5) se explican las consecuencias de esto. Una onda desobretensin con una pendiente de frente de 1000 kV/s avanza hacia un transformador. Lapropagacin de tal onda sobre una lnea area, como en este ejemplo, se realiza a la velocidad dela luz, es decir a 300,000 km/s o 300 m/s. Se asume que el descargador es ideal y se comportacomo un aislador hasta un nivel de tensin de 823 kV, mientras que sobretensiones mayoresestarn limitadas a exactamente 823 kV. La onda de sobretensin, en principio, pasa por alto aldescargador y alcanza al transformador 0,1 s despus, que es el tiempo de propagacin a lolargo de los 30 m entre el descargador y el transformador. En ese momento la tensin en eldescargador ha alcanzado un valor de 1000 kV/s 0,1s = 100 kV. De esta manera, todava eldescargador est comportndose como un aislador. La onda que alcanza al transformador serefleja; motivo por el cual una onda adicional de tensin, con la misma forma y polaridad, desdeall se propaga en forma inversa. La superposicin de ambas ondas provoca que la tensin en eltransformador se incremente al doble de la velocidad, es decir a 2000 kV/s. Otro 0,1 ssignifica una tensin aqu (en el descargador) de 200 kV. Al mismo tiempo la onda reflejada haalcanzado al descargador, cuya tensin hasta este punto se ha incrementado en el tiempo con latasa original de crecimiento y, por lo tanto, en el lapso transcurrido, tambin ha alcanzado un


nivel de tensin de 200 kV. De ahora en adelante las ondas originales y las reflejadas se su-perponen en el descargador, y no solamente en el transformador la tensin se incrementa con unapendiente de 2000 kV/s sino tambin aqu. La situacin en el descargador no se modificarhasta que la tensin en sus terminales haya alcanzado el valor lmite de 823 kV. En conformidadcon las premisas iniciales, no puede alcanzarse un valor mayor. De acuerdo a las leyes de losprocesos de ondas progresivas, esto slo puede suceder si una onda de tensin negativa con unapendiente de 2000 kV/s se despliega desde el descargador hacia ambos lados, entonces lasuperposicin de la onda original sobre la que se reflej en el transformador, y ahora reflejadanuevamente en el descargador, provoca que la tensin en el descargador permanezca en un valorconstante de 823 kV. Ahora bien, transcurre otro 0,1 s tiempo necesario para propagarse porel tramo de 30 m entre el descargador y el transformador antes de que la onda negativareflejada en el descargador alcance al transformador. Sin embargo, durante este tiempo, latensin all ya se ha incrementado en 200 kV. Por lo tanto, ya tiene un valor de 1023 kV. Sloahora la influencia del descargador se hace notar en bornes del transformador y reduce latensin all alcanzada1. El ejemplo muestra que la tensin en el equipamiento a proteger puedeser considerablemente mayor que la que aparece en el descargador. Exactamente cunto ms,depende mayormente de la distancia entre el descargador y el aparato a proteger y de lapendiente del frente de la onda de tensin (el mismo ejemplo con el doble de distancia y slo un10% ms de tasa de incremento de la tensin permitira que se excediera la tensin mximasoportada por el transformador de 1239 kV). Este ejemplo deja en claro lo siguiente: eldescargador tiene solamente una limitada zona de proteccin local!

b) Cadas de tensin inductivas: se ve en la Figura 6 que la trayectoria de la corriente dedescarga, desde la lnea area, pasando por el descargador hasta llegar a la tierra efectiva, tieneuna logitud de diez metros. Con un valor especfico de 1 H por metro (inductancia tpica de unconductor tendido a gran distancia de otras partes energizadas o a tierra) su inductividad es 10H. En casos extremos puede esperarse una pendiente de 10 kA/s en un impulso atmosfricode corriente. Bajo estas condiciones en la disposicin mostrada la cada de tensin inductiva es

kV100s/kA10H10dtdiLu

sta no necesariamente aparece simultneamente con el valor de cresta de la tensin residualdel descargador. No obstante, este valor de 100 kV demuestra el orden de magnitud de las

1 Dado que la sobretensin negativa entrante se refleja nuevamente con su magnitud total, no slo provoca

que el lmite de la tensin de 1023 kV resulte luego de la superposicin de todas las sobretensiones en eltransformador, sino tambin - adems - una reduccin de la tensin. Si se realiza el clculo en la formadescrita, el transformador asume una oscilacin de tensin con un valor mximo de 1023 kV. En laprctica, la amplitud y la forma de la oscilacin se amortiguan por varias influencias no consideradasaqu.


posibles cadas de tensin inductivas que pueden superponerse a la tensin residual deldescargador.

3,5

m

4 m

2,5

m

Des

carg

ador

Conductor de

conexin

Conductor de la lnea area

hacia el equipamientoasociado

desde las barras principales

Fig. 6: Disposicin tpica de un descargador en una subestacin de 420 kV

c) orrientes de descarga mayores que la corriente nominal de descarga deldescargador: se define el nivel de proteccin del descargador como su tensin residual a lacorriente nominal de descarga. Pueden tambin aparecer corrientes de descarga mayores. Eldescargador puede resistirlas sin daarse, pero esto resulta en una tensin residual mayor entresus terminales, dependiendo de la forma de la caracterstica U-I.

De este modo, cuando se selecciona un nivel de proteccin del descargador, debenconsiderarse ciertos detalles, tales como la distancia entre el descargador y el aparato a proteger,la configuracin particular de la subestacin o los esfuerzos tpicos debidos a las sobretensionesen el sistema. Normalmente un factor de al menos 1,4 entre la tensin nominal resistida aimpulso atmosfrico del aparato a proteger y el nivel de proteccin a impulso atmosfrico deldescargador resulta en una proteccin segura contra las sobretensiones de frente escarpado. Sinembargo, en casos problemticos, por ejemplo cuando se esperan sobretensiones de frente muy(abruptamente) escarpado, o cuando existen distancias inusualmente extensas entre eldescargador y el aparato a proteger, el efecto de proteccin debe controlarse individualmentemediante un clculo minucioso.


No slo son necesarias la configuracin para operacin permanente estable (caracterstica U-Ien la gama de la corriente permanente) y la eleccin de niveles de proteccin suficientementebajos (caracterstica U-I en la gama de las altas corrientes), sino tambin que el descargador debeposeer la capacidad de absorcin de energa necesaria para cada aplicacin individual. En elproceso, deben considerarse dos aspectos diferentes:

La energa que se inyecta instantnemente durante una nica descarga no podr exceder unvalor para el cual los resistores de xido metlico estn termo-mecnicamente sobre-esforzados.Por eso, en este contexto se habla de la capacidad de absorcin de energa con un nico impulsode un descargador. La energa que se inyecta durante slo unos pocos micro o milisegundosprovoca extremas, repentinas elevaciones de temperatura asociadas con fuerzas excesivas deflexin y compresin actuando sobre la cermica del resistor de OM. Esto puede conducir apequeas, tenues grietas o hasta causar la rotura de los resistores. El efecto lo soportan las msdiminutas fracciones no homogneas en la cermica de los resistores de OM, las que sonbsicamente inevitables a pesar de las ltimas tecnologas de fabricacin desarrolladas. staspueden causar sobrecalentamientos de la cermica localmente limitados en el caso de densidadesde corriente y de energa extremadamente elevadas, respectivamente. Dado que el calor no puedediseminarse lo suficientemente rpido en el material circundante, aparecen esfuerzos termome-cnicos adicionales. Por medios similares pueden desarrollarse canales de calor en lasubicaciones de las fracciones no homogneas, conduciendo a la perforacin elctrica del resistor.La capacidad de absorcin de energa de un nico impulso es, de este modo, una propiedadcaracterstica del resistor de xido metlico insertado en el descargador, independiente del restodel diseo del descargador. La especifica el fabricante con un margen de seguridad suficientecon respecto a los lmites reales.

Totalmente diferentes son los contextos vlidos para la capacidad de absorcin de energatrmica. sta se define como el mximo nivel de energa inyectada dentro del descargador, parael cual ste todava puede refrigerarse hasta su temperatura normal de operacin. La Figura 7ilustra este problema: las prdidas de potencia elctricas resultantes de la tensin de frecuenciaindustrial permanentemente aplicada dependen de la temperatura. stas se elevandesproporcionadamente cuando se eleva la temperatura.

Por otra parte, debido a su diseo, el descargador slo puede disipar en el medio circundanteuna cierta cantidad de calor limitada. De hecho, este valor de flujo de calor tambin seincrementa con la temperatura, no obstante, dista mucho de lo que se incrementan las prdidasde potencia elctricas. Ambas curvas de potencia tienen dos puntos comunes de interseccin. Elde la izquierda es un punto de operacin estable. En este punto, se disipa al exterior exactamentetanto calor como el que se produce en el resistor de OM: prevalece el balance trmico. Unadescarga perturba este balance. La energa que se introduce eleva rpidamente la temperatura, y


el punto de operacin se desplaza a la derecha siguiendo la curva de prdidas de potencia comose indica con una flecha en la Figura 7. Hasta tanto el punto de interseccin a la derecha de lascurvas no sea alcanzado, fcilmente puede disiparse el calor generado por las prdidas depotencia elctricas, y el descargador puede regresar al punto estable de operacin. Sin embargo,si se alcanza o excede el punto de interseccin de la derecha, ya no es posible el enfriamiento.Entonces el descargador se torna trmicamente inestable y sigue calentndose hasta laautodestruccin. Por lo tanto, este punto de interseccin, representa el lmite de estabilidadtrmica. La capacidad de absorcin de energa trmica se especifica de manera tal que laelevacin de temperatura conexa lleva al descargador a una temperatura que manifiesta unmargen de seguridad adecuado al lmite de estabilidad trmica. El lmite de estabilidad trmicareal depende del diseo global del descargador y tiene un valor tpico entre 170 C y 200 C.

Temperatura

Flujo de calor

Prdidas de potencia elctricas

Lmite de estabilidad trmica

Punto estable de operacinFl

ujo

de c

alor

,P

rdid

as d

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tenc

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lct

ricas

Fig. 7: Explicacin de la estabilidad trmica

Ambas definiciones de la capacidad de absorcin de energa citadas arriba no se especificanen las normas. La norma IEC 60099-4 sobre descargadores de xido metlico sin explosores escategrica al respecto: la capacidad de absorcin de energa solamente se describe por medio dela clase de descarga de lneas. Sin embargo, su definicin es complicada. En forma indirecta staes aproximadamente la capacidad de absorcin de energa trmica. Ms adelante en este captulose tratar esto con mayor profundidad.

Con respecto a la capacidad de absorcin de energa, finalmente debe mencionarse quenormalmente los descargadores se disean para derivar a tierra slo una fraccin de la carga quese introduce al conductor de la lnea area como resultado del impacto directo de un rayo. Eneste caso, se asume que la sobretensin que aparece sobre el conductor de la lnea areaproducir el contorneo (cebado) de uno o ms aisladores de la lnea. As, la mayor parte de lacarga se deriva a tierra a travs de los canales o caminos de contorneo. Finalmente sloalcanzarn las estaciones (playas patios de maniobras, subestaciones transformadoras) lassobretensiones limitadas a la tensin de contorneo del aislador con el contenido de carga


apropiadamente reducido, y adems, slo sas, deben ser limitadas por los descargadores en laestacin y, adicionalmente, su contenido de carga derivado a tierra.

En los sistemas de distribucin en media tensin los descargadores estn ampliamente diseminados

sobre la totalidad de la red, encontrndose normalmente instalados directamente en, por ejemplo,

plataformas areas (sobre poste o columna) de transformacin o en terminaciones de cables. De vez en

cuando, un rayo puede impactar la lnea tan prximo al descargador, que solamente puede ser aliviado en

parte, o nada en absoluto, por contorneos en los aisladores. Esto se conoce como una descarga atmosfrica

directa sobre los conductores principales de la lnea en las adyascencias del descargador y es una causa

comn de falla de los descargadores en estos sistemas. Las tentativas para evitar esto en los sistemas de

transmisin en alta tensin consisten en mejorar el apantallamiento (blindaje) de la lnea, por ejemplo,

instalando un segundo hilo de guardia cercano a la estacin. sta es la razn por la cual, impactos directos

de rayos sobre los conductores principales de la lnea en las adyascencias del descargador, casi nunca

suceden conjuntamente con descargadores tipo estacin en alta tensin. Como resultado se tiene que su

tasa de falla es aproximadamente un orden de magnitud menor que la de los descargadores de

distribucin1.

1 Vase la parte 2 por mayor informacin.

DISEO CONSTRUCTIVO DE LOS DESCARGADORES DE OM 17

Diseo Constructivo de los Descargadores de OM

Este captulo describe el diseo constructivo bsico de los descargadores de OM. De lasnumerosas formas posibles de construir un descargador slo se han escogido unos pocosejemplos con el fin de dejar en claro el principio. Para informacin y descrip-ciones msdetalladas nuevamente se hace referencia a la segunda parte.

El hecho de que ya no sean necesarios los explosores en serie, los que eran obligato-rios paralos descargadores de SiC con explosores, ha simplificado considerablemente el diseo de losdescargadores. De hecho, ciertos diseos de descargadores con envoltura polimrica eranimposibles de construir hasta que se introdujo la tcnica del xido metlico sin explosores. Elmayor progreso: los descargadores de OM pueden construirse con un nico elemento activoefectivo, es decir, la columna de resistores de OM. Sin embargo, hay grandes exigencias sobreestos resistores de OM, ya que ellos combinan todas las funciones que previamente haban sidocompartidas entre los diferentes componentes del descargador con explosores. As, deben serresistentes al envejecimiento mientras estn sujetos a la tensin de operacin aplicadapermanentemente. Deben ser capaces de absorber la energa inyectada durante una descarga y, acontinuacin, deben limitar la corriente subsiguiente (corriente permanente) a valores losuficientemente pequeos como para una operacin trmicamente estable. Como resultado deello, el desarrollo de los resistores de OM y su tecnologa de fabricacin la produccin de losresistores de OM es considerablemente ms complicada que la de los resistores de SiC son deuna importancia particularmente grande. En la parte 2 se dedica un captulo completo a esto.Aqu se tratar solamente el diseo constructivo de un descargador de OM.

La Figura 8 muestra en corte la seccin de una unidad de un descargador de OM conenvoltura de porcelana, aplicable en sistemas de alta tensin. La columna de resistores de OM,en conjunto con la construccin de soporte que la acompaa, constituye la parte activa real deldescargador. La columna consiste en resistores de OM individuales apilados uno sobre otro. Losresistores de OM casi siempre se producen con forma cilndrica (Figura 9)1. Su dimetrodetermina en forma decisiva la capacidad de absorcin de energa y de conduccin de corriente.Est en el orden de aproximadamente 30 mm cuando se los utiliza en sistemas de distribucin, yhasta 100 mm o ms para aplicaciones en alta y extra alta tensin y especiales, para los cuales serequieren altas capacidades de absorcin de energa2. Para exigencias especialmente severas, las

1 Algunos fabricantes, especialmente los japoneses, utilizan tambin diseos con agujeros centrales

pasantes, formas similares a los toroides. Para los varistores de baja tensin tambin son comunes losdiseos cuadrados.

2 En realidad el volumen de los resistores de OM es el valor decisivo. Pero, como para cualquier valordado del nivel de proteccin de un descargador, la longitud de la columna de resistores de OM est ms o

18 DISEO CONSTRUCTIVO DE LOS DESCARGADORES DE OM

partes activas tambin se realizan con una tcnica multicolumna, es decir, dos o ms columnasconectadas en paralelo.

Resorte de compresin Resistor de OM

Tobera de ventilacin

Envoltura de porcelana

Diafragma de alivio de presin

Aro de sellado

Junta de cemento

Barra o varilla de soporte (FRP)

Placa de soporte (FRP)

Brida de aluminio

Espaciador metlico

Fig. 1: Plano de un corte de seccin de una unidad de descargador de OM con envoltura de porcelana

Los resistores de OM varan en altura aproximadamente entre 20 mm y 45 mm. En lamayora de los casos, la altura est asociada a la produccin y depende de las herramientas einstalaciones de fabricacin disponibles. Sin embargo, no cualquier altura puede fabricarse, dadoque, a mayor altura (a mayor dimetro tambin), ms difcil es lograr suficiente homogeneidaddel material del resistor durante la fabricacin. Esto ltimo, no obstante, determina la mayorparte de todo lo relativo a la capacidad de absorcin de energa, y an ms, lo relacionado a lacapacidad de reproducir los datos tcnicos especificados.

menos fijada, entonces la capacidad de absorcin de energa slo puede determinarse mediante eldimetro de los resistores de OM.


Fig. 9: Resistores de xido metlico

La tensin residual por milmetro de altura durante un impulso atmosfrico de corriente de 10kA de valor de cresta la llamada tensin residual a 10 kA est dentro de la gama de alrededorde 450 V/mm para un resistor de OM tpico en un descargador de distribucin (32 mm dedimetro), reducindose aproximadamente a 280 V/mm para un descargador usado en un sistemade 420 kV (70 mm de dimetro)1. Por lo tanto, en el ltimo caso mencionado, el resistor de 45mm de altura, tiene una tensin residual a 10 kA de aproximadamente 12,5 kV. Con el fin delograr un nivel de proteccin a impulso atmosfrico de 823 kV, como en el ejemplo de la Figura2, deberan apilarse, uno sobre otro, alrededor de 66 resistores. Dado que la altura resultante dela columna de resistores de OM de casi tres metros no podra contenerse en una nica envoltura,este descargador se compondra de, por lo menos, dos unidades en serie.

La longitud de la parte activa se ajusta a la altura de la envoltura de la unidad por medio deespaciadores metlicos. En los casos ms simples stos son tubos de aluminio con tapas sobreambos extremos a fin de conseguir una distibucin uniforme de la presin de contacto. Sinembargo, algunas veces se insertan partes de aluminio macizo, las que al mismo tiempo actancomo sumideros de calor, incrementando de ese modo la capacidad de absorcin de energatrmica de los descargadores.

Una vez apilados los resistores de OM sucesivamente uno sobre otro, de esta misma manera,deben fijarse mecnicamente en la envoltura. El propsito es, por una parte, asegurar que la parteactiva no pueda desplazarse de su posicin original durante el transporte, o cuando se instala eldescargador en una posicin diferente de la vertical. Por otra parte, se necesita una cierta presinde contacto axial, para que puedan manejarse fcilmente los esfuerzos corrientes que pudiesen

1 La principal razn de estas diferencias son las diferentes densidades de corriente, dependiendo de cuales

dimetros se utilizan, basndose en un valor de corriente de 10 kA. Cuanto menor sea la densidad decorriente, menor ser la tensin residual.


ocurrir. La Figura 8 representa una de las muchas posibilidades factibles. Varias barras(varillas) de soporte fabricadas de material FRP (plstico reforzado con fibras de vidrio) rodeana la columna de resistores de OM como una jaula. Adicionalmente, placas de soporte tambinde FRP dispuestas a intervalos regulares, por una parte, evitan que las barras de soporte sedoblen separndose, y por otra parte, limitan el posible pandeo de la construccin total hacia lasparedes de la envoltura. Un resorte de compresin robusto (para solicitaciones severas,posiblemente ms de una) adosado al extremo superior de la columna, refuerza la parte activa ala envoltura.

Se tienen grandes exigencias respecto de las propiedades elctricas y mecnicas de laconstruccin de soporte en conjunto. sta debe disearse e implementarse de manera que quedelibre de descargas elctricas parciales bajo todas las condiciones de operacin. Adems serequieren: elevada resistencia mecnica, resistencia a las altas temperaturas y elevada resistenciaa la formacin de caminos conductores (tracking) y a la erosin, como as tambin propiedadesde retardo de la llama y autoextincin en caso de incendio.

Hasta hace muy poco tiempo, y para las altas tensiones todava hoy en la mayora de loscasos como se muestra en la Figura 8 slo se utilizaba porcelana para las envolturas de losdescargadores1. Los extremos de la envoltura se equipan de bridas de aluminio2 adheridas conla ayuda de cemento3. Cuando se elige aluminio de calidad apta para uso a la intemperie, no senecesita pintura externa en las bridas.

El cemento sulfuroso es la primera eleccin para el cementado. Adems de propiedadesmecnicas favorables, tambin ha demostrado tener ventajas sobre el cemento Portland (bastantecomn en la industria de los aisladores) en el proceso de fabricacin: puede entrar fcilmente encontacto con el aluminio sin producir corrosin y puede procesarse rpidamente, ya queinmediatamente despus de realizada la aplicacin, ste alcanza su resistencia mecnica final.

Asumiendo que se han diseado apropiadamente las bridas y las secciones extremas de laenvoltura de porcelana, es posible lograr una unin de cemento que siempre ser mecnicamentems firme que la porcelana misma. Esto significa que puede hacerse un uso pleno de laresistencia de la porcelana cuando se especifican las cargas mecnicas admisibles en la cima dela envoltura del descargador.

1 Ms adelante en este captulo se darn ejemplos aclaratorios. En la parte 2 del manual se incluir

informacin ms detallada al respecto.2 Algunas veces, cuando los requisitos mecnicos son particularmente severos, tambin se utilizan bridas

de acero.3 Tambin son comunes los diseos con bridas del tipo con abrazadera.


La porcelana del aislador se fabrica en diferentes calidades, cuyos requisitos mnimos seencuentran en las normas, por ejemplo, la IEC 60672-3. Para envolturas de descargadoresnormalmente se usan dos calidades: la porcelana de cuarzo (subgrupo "C 110: porcelanas desilicio" de acuerdo a la IEC 60672-3) y la porcelana de almina (subgrupo "C 120: porcelanas dealuminio"). Con la porcelana de almina se puede lograr elevada resistencia mecnica; el doblede resistencia especfica en comparacin con la de la porcelana de cuarzo. Una influenciaimportante sobre la resistencia mecnica es el esmalte, el que no slo se aplica exteriormente,sino tambin a las paredes interiores de la envoltura. Naturalmente la resistencia de la envolturatambin depende en gran medida de la geometra de la porcelana. No slo el espesor de la pared,sino tambin el dimetro desempeaaqu un papel importante. Cuanto ms elevada sea la tensindel sistema, y como resultado mayores requisitos de resistencia mecnica, mayor ser eldimetro de la porcelana elegida1.

No obstante, el color del esmalte carece de significado tcnico. El color ms comn es elmarrn (color RAL 8016). Sin embargo, con frecuencia, y especialmente en regionesangloamericanas, se prefiere un tono gris claro. Tericamente la temperatura interior deldescargador puede derivar de una cierta influencia del color, debido a los diferentes coeficientesde emisin y absorcin trmica. No obstante su efecto total es despreciable, de manera que a losfines prcticos, no se lo tiene en consideracin.

Fig. 10: Perfil de campanas alternado de campanas normal

Adems de proteger la parte activa de las influencias ambientales la envoltura de estedescargador debera tambin suministrar una distancia disruptiva adecuada. Por esta razn se loequipa con campanas cuyos diseos pueden ser muy distintos. Para el diseo del perfil de la

1 Tambin puede ser apropiado un dimetro de porcelana mayor por razones de capacidad de resistencia al

corto circuito y de desempeo operativo en condiciones de contaminacin. Lo segundo podra, a primeravista, no ser obvio, pero se explicar en la parte 2 con mayor detalle. En resumen: si bien, por una parte,mayores dimetros producen descargas elctricas ms fuertes en la superficie, por otra parte, stas tienenmenor impacto trmico sobre la parte activa del descargador debido a la gran distancia y, comoconsecuencia de esto, pequeas capacitancias acopladas entre la superficie exterior y los resistores deOM. Tambin para grandes dimetros de envoltura, disminuye la intensidad de campo elctrico radialinterno, y as es mucho menor el riesgo de descargas parciales internas.


campana (distancias, saliente o voladizo, ngulo de inclinacin) la gua de aplicacin IEC 60815hace recomendaciones que deberan seguir los fabricantes. La ms evidente es la diferencia entreun perfil de campana alternado y uno normal (Figura 10). No puede hacerse una recomendacingeneral sobre cual de ambos tipos es preferible. Las ventajas del perfil de campana alternadoincluyen la de impedir la aparicin de capas o caminos conductores sobre la superficie, y la delograr una gran distancia disruptiva en relacin con la longitud total, lo que ante cualquierrequisito de distancia disruptiva resulta en envolturas de descargadores ms cortas. En losensayos de polucin artificial con niebla salina (conforme a la norma IEC 60507), stegeneralmente se desempea mejor que el perfil de campana normal comparable. ste ltimo, porotra parte, ha demostrado poseer particularmente buenas propiedades autolimpiantes bajocondiciones de servicio reales, y a causa de esto, en muchos casos tiene excelentes antecedentesde servicio. En caso de duda al seleccionar un perfil de campana, debera tenerse en cuenta laexperiencia individual de operacin del usuario.

Los comentarios a la Figura 8 concluyen con una descripcin del sistema de sellado (sistemade estanqueidad o hermeticidad). ste es uno de los componentes ms crticos del descargador;el tipo de falla en los descargadores mencionado ms frecuentemente en la bibliografa sobredescargadores y por los usuarios es la falta de hermeticidad (fugas). El sistema de sellado tieneque cumplir con tres funciones, las que a su vez, entre s, son bastante incompatibles. Por unaparte, debe impedir el ingreso de humedad en beneficio de la duracin de la vida til deldescargador duracin estimada de 25 a 30 aos. Por otra parte, debera actuar como un rpidodispositivo de alivio de presin ante el poco comn evento de una sobrecarga deldescargador, que puede causar un rpido aumento de presin en la envoltura lo que a su vezllevara a que el cuerpo de la porcelana se rompiera en pedazos violentamente. Finalmente, eneste punto (sistema de sellado), debe establecerse una transferencia de corriente perfectamentedefinida desde la brida a la columna de resistores de OM.

El ejemplo mostrado en la Figura 11 consiste en un sistema de sellado, el que en su mayorparte se compone de un aro (anillo) de sellado y un diafragma de alivio de presin. Amboselementos aparecen dos veces, uno en cada extremo de la envoltura. El aro de sellado se colocasobre la cara extrema del cuerpo de la porcelana. Si el sellado se realiza en este punto, entoncesel cemento entre la brida y la porcelana no es parte del sistema de sellado. Esto reduce losrequisitos de la unin de cemento, pero exige un cuidado absoluto cuando se elaboran las carasextremas de la porcelana y durante el control de calidad posterior.

Hay grandes exigencias, en su mayora sobre el material del aro de sellado. As, por ejemplo,la goma natural result inapropiada, ya que con el tiempo se vuelve quebradiza. La resistencia alozono es otro requisito elemental, el que en la actualidad puede satisfacerse con el uso demateriales sintticos.



Resorte de compresin

Aro de soporte

Aro de sujecin

Aro de sellado

Placa tapa superior

Tobera oconducto de

ventilacin

Fig. 11: Sistema de sellado (hermeticidad o estanqueidad) de un descargador para alta tensin conenvoltura de porcelana

El material del diafragma de alivio de presin usado en la construccin del descargador esacero o nquel, de mxima pureza en ambos casos, y de slo unas pocas dcimas de milmetrode espesor. En trminos de diseo y de garanta de calidad, es un desafo construir el diafragmaresistente a la corrosin por un perodo de 30 aos. Al diafragma se lo presiona contra el aro desellado con un aro (anillo) de sujecin metlico atornillado a las bridas. Es de especial im-portancia asegurarse que slo se usen combinaciones de materiales compatibles (respecto de losprocesos electroqumicos). De otra manera definitivamente aparecer corrosin en losresquicios, la que tarde o temprano producir fugas.

La ventaja particular del diafragma de alivio de presin1 es su extremadamente breve tiempode apertura ante una sobrecarga del descargador. Una sobrecarga del descargador es unacontecimiento muy infrecuente2. No obstante, en principio no puede descartarse, ni aun en casode un descargador sobredimensionado. Las causas posibles de esto son, por ejemplo, descargasatmosfricas sobre los conductores principales de la red impactando en las adyascencias deldescargador, o transferencia de la tensin de frecuencia industrial desde un sistema de altatensin a uno de baja tensin, por ejemplo, en una lnea de transmisin con varios niveles detensin que se entrecruzan debido a rotura o galope del conductor. En un caso semejante seproduce la sobrecarga de uno o varios resistores de OM en el descargador afectado. Se forma unarco parcial, el que en una fraccin de segundo se convierte en un arco total entre las dos bridas

1 Tambin son comunes otros tipos de dispositivos de alivio de presin, por ejemplo, tapas con resortes

cargados.2 Esto se produce considerablemente menos en los sistemas de alta tensin que en los de distribucin.

Vase la parte 2.


dentro de la envoltura. La corriente total de cortocircuito de la red en el punto donde realmenteest instalado el descargador, circula a travs de este arco. Por consiguiente, se desarrolla dentrode la envoltura un abrupto incremento de la presin. Al mismo tiempo, se rasga el diafragma dealivio de presin en unos pocos milisegundos, garantizando de este modo un seguro alivio depresin antes de que se alcance la presin de estallido de la envoltura. Los gases calientes apresin muy rpidamente escapan del interior de la envoltura a traves de dos conductos(salidas) de ventilacin ("ventilacin" del descargador). Fuera de la envoltura se encuentran losdos chorros de gas y hacen que el arco que estaba encendido en el interior de la envoltura,conmute y contine encendido exteriormente al descargador, hasta que se despeje la falla. Enesta instancia, todava puede ocurrir la rotura de la porcelana1 a consecuencia del extremoesfuerzo trmico. Sin embargo, debido al deterioro en condiciones prcticamentedespresurizadas, ningn otro dao de importancia puede sobrevenir.

Cuando el arco encendido dentro de la envoltura se extingue como consecuencia de unsistema de despeje de falla, justo antes de la apertura del diafragma de alivio de presin o,cuando el incremento de presin se produce con relativa lentitud, a causa de una falla de muybaja corriente (lo que ocurre especialmente en sistemas con neutro a tierra resonante), eldiafragma de alivio de presin no se rasga, sino en cambio slo se tracciona formado pliegues se frunce , los que (en este caso, intencionalmente) producen fugas2. Esto hace imposible queun descargador fallado est a una presin interna de ms de un bar y reduce enormemente losriesgos en la seguridad durante el desmontaje de un descargador defectuoso.

Se han descrito hasta aqu los componentes ms importantes de un descargador de OM, em-pleando como ejemplo un descargador de alta tensin con envoltura de porcelana. No obstante,se necesitan unos pocos detalles ms para completar la descripcin de un descargador de altatensin (Figura 12).

1 La denominada rotura trmica o secundaria, la cual est expresamente permitida segn las normas de

descargadores.2 A un descargador as averiado se lo reconoce desde el exterior por la gruesa capa de carbn negro

depositada sobre su envoltura.


Terminal de alta tensin

Anillo distribuidorde potencial

Base aislante

Fig. 12: Descargador de dos unidades para alta tensin

Ya se ha mencionado que a partir de cierta longitud de la columna de resistores de OM, eldescargador deja de fabricarse en una sola pieza. La mxima longitud razonable de unaenvoltura de porcelana puede ser, por razones tcnicas y econmicas1, de aproximadamente dosmetros. Con esta longitud puede acomodarse en una sola pieza un descargador para un sistemade 245 kV con neutro rgido a tierra, siempre y cuando los requisitos de distancia disruptivas nosuperen el promedio normal. Para todos los niveles superiores de tensin, el descargador debecomponerse de varias unidades, por ejemplo en un sistema de 420 kV debera tener por lo menosdos piezas. Para niveles de tensin superiores o cuando se exigen distancias disruptivas ex-tremas, tambin pueden componerse de tres, cuatro o cinco partes. En principio no existe unlmite superior, siempre que el descargador demuestre tener las propiedades mecnicassuficientes.

Partiendo de una longitud de alrededor de un metro y medio a dos metros, en adelante, ygeneralmente para descargadores compuestos de varias unidades, son absolutamente necesarioslos anillos distribuidores de potencial (o anillos de guarda). stos sirven para controlar ladistribucin de la tensin desde la cima hasta la base, la que se encuentra influenciadadesfavorablemente por las capacitancias a tierra que afectan al descargador. Sin las medidas

1 Una de las razones es que cuanto ms larga sea la envoltura, menor resultar la capacidad de resistencia

al corto circuito. Otra es que la mayora de los fabricantes de aisladores de porcelana no pueden hornearlas longitudes mayores en una nica pieza.


preventivas apropiadas, los resistores de OM en el extremo ms elevado la alta tensin deldescargador estaran solicitados considerablemente ms que los del extremo de tierra. Losmotivos y las interdependencias exactas sern tratadas con gran detalle en la segunda parte deeste manual. Los anillos distribuidores de potencial se diferencian entre s en trminos de susdimetros y de las longitudes de sus brazos de fijacin. La regla prctica en este caso es lasiguiente: cuanto mayor sea el dimetro y ms largo el brazo, mejor ser el efecto de controlsobre la distribucin de la tensin. Al mismo tiempo, si hubiera la menor posibilidad, existen dosrazones para mantener pequeos a ambos tamaos mencionados:

Las normas concernientes al montaje de instalaciones de energa elctrica1 estipulan unadistancia mnima entre los conductores de las fases vecinas. Estos requisitos tambin sonvlidos para la distancia entre los anillos distribuidores de potencial de dos fases vecinas.Cuanto ms pequeo sea el anillo distribuidor de potencial, menor ser el espacio entre ejesde descargadores vecinos, y as tambin el ancho del campo (sector de la playa o patio) aseleccionar.

Los brazos no pueden extenderse hasta cualquier largo deseado, ya que la envoltura deldescargador, vaca, debe satisfacer ciertos requisitos de tensin resistida. Si los brazos sondemasiado largos, pueden producirse contorneos desde el anillo distribuidor de potencial,sobre la brida vecina y a tierra, o directamente a tierra, especialmente mientras se ensaya conla tensin de impulso de maniobra.

Fig. 13: Brida inferior con la base aislante y el explosor de supervisin (klidongrafo)

1 Por ejemplo, el documento europeo de armonizacin HD 637 S1, o documento IEC 99/35/CD, 1998

(Project IEC 61936-1 Ed. 1.0: Power installations exceeding 1 kV a.c. Part 1: Common rules).


Los descargadores de estacin para alta tensin usualmente no se conectan directamente atierra; en cambio, seconectan en serie con el descargador los aparatos de supervisin, tales comocontadores de descargas, klidongrafos (explosores de supervisin) o indicadores de corrientepermanente. En este caso se proporciona la aislacin erigiendo el descargador sobre una base(pie) aislante (Figura 13). Se realiza entonces la puesta a tierra a travs de los aparatos desupervisin apropiados. El diseo mecnico de la base aislante debe ser tal, que sta puedaresistir las fuerzas mecnicas, tanto de larga como de corta duracin, que afecten al descargador.Debe tener una adecuada rigidez dielctrica de manera que no contornee bajo la accin de lacada de tensin a travs de los aparatos de supervisin, ubicados en paralelo, causada por laautoinductancia de la conexin a tierra.

El conductor de conexin a tierra debera tener una seccin de por lo menos 35 mm, menospor razones elctricas para stos una seccin menor sera totalmente adecuada que pormotivos de rigidez mecnica y resistencia al impacto ambiental.

El terminal de alta tensin sirve de conexin al conductor de la lnea area. Normalmente seusan terminales planos y de varilla roscada (Figura 14). Su diseo y dimensiones estnnormalizados, por ejemplo, en conformidad con DIN o en los Estados Unidos con NEMA.No obstante, tambin son comunes variantes especiales especficas del cliente.

Fig. 14: Terminal de varilla roscada (izquierda) y terminal plano (derecha)

Las fotografas siguientes (Figuras 1517) muestran otros modelos de descargadores deOM: un descargador de distribucin de media tensin con envoltura de porcelana, undescargador de distribucin de media tensin con envoltura polimrica y finalmente, undescargador de alta tensin de estacin con envoltura polimrica. Los ejemplos elegidos sediferencian entre s, significativamente en algunos casos, en sus caractersticas de diseo,brindando as un panorama de algunos de los diseos bsicos de descargadores en uso.


Pila de resistores deOM con la construccinde soporte

Resorte decompresin

Brida con tobera de ventilacin

Envoltura de porcelana

Diafragma de aliviode presin

Aro de sellado

Terminal de alta tensin

Terminal de tierra con

desconectador

Mnsula de montaje

Fig. 15: Plano de un corte de seccin de un descargador de OM para distribucin con envoltura deporcelana

En los descargadores de distribucin de media tensin con envoltura de porcelana, de loscuales hay millones en uso pero cada da ms se los est reemplazando por descargadores conenvoltura polimrica, pueden hallarse prcticamente todos los componentes hasta aqumencionados (Figura 15). Aun cuando para tales descargadores los bajos costos de produccinson, por mucho, ms esenciales que para los descargadores de alta tensin, aqu tambin yespecialmente para el sistema de sellado, deben mantenerse los niveles de calidad ms elevadosposibles. Las fugas resultan ser la causa de falla ms frecuente, especialmente para losdescargadores en la gama de las medias tensiones, donde la presin de los costos es enorme y lacalidad no es siempre el principal inters1. El descargador mostrado en la Figura 15generalmente tiene el mismo sistema de sellado que el descargador de alta tensin de la Figura 8.Se utilizan los mismos principios y los mismos materiales. Esto significa que este diseo tiene lamisma alta confiabilidad operativa que un descargador de alta tensin. Tambin, lo que fuemencionado antes en conexin con los descargadores de alta tensin, se aplica aqu al

1 Sin embargo, la tasa de falla de los descargadores de distribucin, sin considerar los problemas de

hermeticidad, todava es superior a la de los descargadores de alta tensin, debido a que aquellos sesobrecargan con mayor frecuencia a causa del impacto de descargas atmosfricas sobre los conductoresprincipales de la lnea, en sus adyascencias.


desempeo con sobrecarga, dado que el mismo principio de alivio de presin tambin se aplicaaqu1.

Una peculiaridad de los descargadores de distribucin es su frecuente aplicacin asociados adesconectadores. Este dispositivo adicional no slo puede estar integrado en el descargador,como se representa en la Figura 15, sino tambin adosados exteriormente. Los desconectadorespueden ser de gran importancia para una operacin libre de disturbios de una red de distribucin.Aqu las ubicaciones de los descargadores no se limitan solamente a unas pocas playas demaniobras o subestaciones, como en un sistema de transmisin en alta tensin. En lugar de esolos descargadores se distribuyen por toda la red (estaciones sobre postes, terminaciones decables), y en muchos casos un descargador que se ha averiado no es perceptible en estas grandesextensiones. Y aun si lo fuera, no siempre los reemplazos pueden hacerse inmediatamente. Sepresupone que el desconectador asegure que, despus de una posible falla, el descargador seadesvinculado de la red. De otro modo el descargador podra, despus de tal incidente, constituiruna falla a tierra permanente. Sin embargo, tambin debera mencionarse que la desventaja de undesconectador es que, a causa de su uso, las fallas en los descargadores pueden permanecerinadvertidas, y la proteccin de sobretensiones en ese punto podra, sin quererlo, no lograrse. Porconsiguiente, no pueden darse recomendaciones generales para el uso de desconectadores. Seusan menos frecuentemente o a veces nada en absoluto en sistemas con neutro a tierra resonante,los que pueden operarse por largos perodos de tiempo en condiciones de falla a tierra. Noobstante se los usa ms frecuentemente en sistemas con neutro rgido a tierra. Los casosindividuales dependen en mayor medida de la gestin y/o criterios tcnicos de las diferentesempresas de servicios.

En el ejemplo mostrado en la Figura 15 el desconectador es un recipiente semiesfrico (olla opote) que se presiona de forma apropiada dentro de la brida inferior. Los gases calientes queaparecen cuando el descargador se est apagando, expelen el recipiente junto con su conductorde tierra conectado, y de esta manera producen una separacin de la lnea.

En la Figura 16 se muestra un mtodo totalmente diferente de construccin de un descargadorde distribucin. Finalmente, debido a las fallas causadas por fugas en los descargadores dedistribucin de diseo econmico con envoltura de porcelana, los primeros equipados conaislacin exterior polimrica aparecieron en el mercado en la segunda mitad de la dcada de1980. Su caracterstica de diseo ms notable es la envoltura polimrica colocada directamentesobre la pila de resistores de OM. Como consecuencia de esto, ya no existen los resquicios llenos

1 Haba, y an los hay, muchos diseos de descargadores de distribucin con envoltura de porcelana

desprovistos en absoluto de dispositivo de alivio de presin.


de gas entre los resistores de OM y la envoltura, y con la realizacin constructiva apropiada de lainterfaz entre la envoltura polimrica y las guarniciones de cada extremo, puede omitirsecompletamente un sistema de sellado. De manera similar, en caso de una sobrecarga, puedeevitarse un aumento de presin y el riesgo conexo de rotura de la envoltura. En la parte 2 semostrar con mayor detalle que es posible un nmero de diseos diferentes basados en esteprincipio1.

Guarnicin extrema de aluminio

Pila de resistores de OM

Barras (varillas) de plstico reforzado con fibras de vidrio (FRP)

Envoltura de goma siliconada

Guarnicin extrema de aluminio

Fig. 16: Construccin de un descargador de OM para distribucin con envoltura polimrica

En el caso de un aislador de porcelana, las diferentes propiedades tales como las deproteger del impacto ambiental y proveer la suficiente distancia disruptiva por una parte, yrigidez mecnica por la otra se renen en un solo componente. Sin embargo, en un descargadorcon envoltura polimrica, estas propiedades se reparten en dos componentes diferentes. Larigidez mecnica casi siempre se logra con materiales plsticos reforzados con fibra de vidrio(FRP). En el ejemplo mostrado en la Figura 16 varias barras sirven a este fin. stas se tensionanen las guarniciones de cada extremo y encierran la pila de resistores de OM2. As es como secrea una unidad de elevada rigidez mecnica compuesta de resistores de OM, guarniciones en

1 En esa parte tambin se tratar acerca de que los descargadores construidos segn este principio no son

"per se" a prueba de humedad y resistentes a la rotura en el caso de una sobrecarga, como se anticip enel comienzo. En estos descargadores las caractersticas de diseo especficas y la calidad de lafabricacin siguen jugando un papel importante.

2 Otra versin comn utiliza paos (sectores o lminas) arrollados. Luego de curada la resina dentro deestos paos, se forma un tubo rgido que se adhiere directamente a los resistores de OM.


cada extremo y la estructura de FRP. Este mdulo se inserta en un molde, en el cual la gomasiliconada se inyecta directamente. Con las tcnicas de fabricacin adecuadas es posible obteneruna unin perfecta de la goma siliconada con los otros componentes, permanente y libre deburbujas de aire. Una ventaja de la goma siliconada aplicada, en comparacin con materialesms econmicos, que tambin se utilizan, son las excelentes propiedades de resistencia mecnica por ahora, es posible examinar retrospectivamente alrededor de 30 aos de experiencia conunidades en servicio en esta rea. Otra ventaja es una caracterstica nica de la goma siliconada,repelencia del agua: aun cuando la superficie de la silicona est densamente contaminada, elagua simplemente gotea. Esto suprime la formacin de capas conductoras y afectaventajosamente el desempeo operativo del descargador en condiciones de contaminacin.

El riesgo de estallido y hacerse aicos la envoltura en caso de una sobrecarga del descargadorpara el diseo mostrado en la Figura 16, es inexistente. El arco resultante de una perforacin oun contorneo de los resistores de OM rasga la envoltura de goma siliconada abrindola, y casisin resistencia alguna, encuentra su camino al exterior.

Hasta aqu las ventajas de tal diseo de descargador slo se han insinuado. la combinacin dela reduccin de peso dada en comparacin con una envoltura de porcelana, la manipulacin sinriesgo durante el transporte y la instalacin, y por ltimo aunque no menor, los ahorros en costosque ofrece la fabricacin de tal descargador en comparacin con un descargador con envolturade porcelana, presenta ventajas que evidencian porqu dentro de la gama de las medias tensioneslos descargadores con envolturas polimricas se han vuelto tan populares. Como consecuencia,tambin es evidente porqu los aparatos con envolturas de porcelana han, en este caso,virtualmente desaparecido del mercado.

Para los niveles de alta y especialmente los de extra alta tensin, la situacin, al menos porahora, es diferente. Con el diseo mostrado en la Figura 16, existen demandas elctricas y me-cnicas que, cuanto mayor sea el nivel de tensin, siempre se volvern ms difciles desatisfacer. El diseo en la Figura 17, que tambin se introdujo a fines de los ochenta, demostr,por otra parte, poder satisfacer muy bien estos requisitos1. Se advierte inmediatamente que, enprincipio, ste tiene el mismo diseo que el de la Figura 8. De hecho, esencialmente slo se hareemplazado el aislador de porcelana con un aislador hueco de material compuesto, encontradotambin, por ejemplo, en transformadores para instrumentos y en pasatapas. Un aislador huecode material compuesto se fabrica con un tubo de FRP sobre el cual las campanas (aletas ocaperuzas) prcticamente sin excepcin fabricadas en goma siliconada se moldean

1 Aunque no obstante, tambin se aplican en sistemas de alta y extra alta tensin los diseos de

descargadores con envolturas polimricas directamente adheridas a los resistores de OM.


directamente encima, o se colocan a presin y se vulcanizan en forma de campanas preparadasindividualmente. Este principio de diseo ofrece algunas ventajas considerables en aplicacioneshasta los ms latos niveles de tensin. Ya que la estructura interna de un tubo de FRP (porejemplo, contenido relativo de fibras de vidrio, o el ngulo de enrollado de las fibras), suresistencia de pared y su dimetro pueden, dentro de una extensa gama, seleccionarse sinrestricciones, tal tubo puede dotarse de prcticamente cualquier propiedad mecnica. Comoconsecuencia, para nombrar slo unas pocas, puede optimizarse con respecto a la resistencia a latraccin, resistencia a la flexin, o resistencia a la presin interna. De esta manera, es posibledisear descargadores de alta tensin que son mecnicamente tan robustos, que pueden soportarlos ms severos terremotos intactos y al mismo tiempo utilizarse como un aislador de soporte (deapoyo) en una subestacin.

Aislador hueco de material compuesto (tubo de FRP con campanas de goma siliconada)

Resorte de compresin

Columna de resistores de OM


Aro de sellado

Brida con tobera de ventilacin

Fig. 17: Plano de un corte de seccin de una unidad de descargador de OM con envoltura polimricapara alta tensin (con aislador hueco de material compuesto)

La ltima aplicacin mencionada es beneficiosa para otra propiedad slo hallada en estediseo: en el caso de una descarga de un descargador, es cierto que con esta construccin nuncasuceder una rotura de la envoltura; ni aun cuando cualquiera de las partes internas seaexpulsada. El tubo permanecer casi completamente intacto, y consecuentemente ofrece lamayor seguridad posible para la totalidad de los equipos en una subestacin.

Los altos costos de los aisladores huecos de material compuesto de tal diseo, encomparacin con los aisladores de porcelana, han sido un obstculo para su mayor difusin.Cuando la distribucin de los aisladores huecos de material compuesto se incremente, junto conel correspondiente suministro del mercado, es probable que una aceptacin resultante de latecnologa haga uso de este tipo de descargador en el rea de las altas y extra altas tensiones cadavez ms populares.

CONFIGURACIN DE LOS DESCARGADORES DE OM 33

Configuracin de los Descargadores de OM

Con el fin de configurar un descargador de OM, ante todo es necesario entender en quemanera los diferentes requisitos y parmetros afectan el desempeo operativo del descargador.Adems, conociendo los principios bsicos e interdependencias, entonces tambin es posibledisponer un descargador apropiado para aplicaciones menos comunes. Este captulo describe elenfoque general y concluye con ejemplos de clculos para seleccionar descargadores tpicos paraproteccin contra sobretensiones en sistemas de distribucin y transmisin en c.a., para nivelesde tensin entre Us = 24 kV y Us = 550 kV.

La descripcin se da solamente en funcin del aparato, es decir, para que la cuestin de cmodebera configurarse el descargador se resuelva de modo que, por una parte, satisfaga susrequisitos de proteccin y por la otra, no se convierta en un problema en s mismo. No obstante,la aplicacin (en que punto del sistema o a que equipamiento debera aplicarse el descargador)no se discutir aqu. Para esto, pueden consultarse las publicaciones pertinentes de la IEC:60071-1 y 60071-2 sobre coordinacin de la aislacin (o del aislamiento) o las recomendacionespara seleccin y aplicacin de los descargadores de sobretensiones, 60099-5. Algunasaplicaciones especiales se discutirn en la segunda parte del manual.

En este captulo, las normas internacionales1 definitivas para ensayos y aplicacin de losdescargadores de sobretensiones de xido metlico sin explosores a las que se har referenciason, en su mayor parte las siguientes: IEC 60099-4, IEC 60099-5, IEC 60099-1 como astambin el documento IEC 37/268/FDIS del 13 de julio de 2001, el que est actualmente envotacin2.

En su mayor parte, los requisitos para un descargador de OM pueden retrotraerse a dosrequisitos bsicos. Por una parte los descargadores deberan suministrar la proteccin adecuada,y por la otra deberan disponerse para una operacin permanente estable. Proteccin adecuadasignifica que las sobretensiones en el aparato a proteger siempre deben permanecer debajo de sutensin resistida y con un margen suficiente de seguridad. Operacin permanente establesignifica que el descargador debe poder conducirse con todos las solicitaciones de duracinprolongada, temporarias o transitorias resultantes de la operacin de la red, mantenindose almismo tiempo, elctrica y trmicamente estable bajo todas las condiciones.

1 Algunas de las normas americanas IEEE pertinentes se listan al final de este captulo.2 Se incluye ms informacin sobre estas normas en los captulos pertinentes en la parte 2.

34 CONFIGURACIN DE LOS DESCARGADORES DE OM

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Fig. 19: Ejemplo de una caracterstica tensin de frecuencia industrial-tiempo (U-t)


Ambos requisitos bsicos no pueden sastisfacerse independientemente. Una reduccin delnivel de proteccin automticamente significa una solicitacin elctrica especfica ms elevadadurante la operacin permanente y, a la inversa, la tensin de operacin permanente de undescargador no puede incrementarse arbitrariamente sin elevar tambin su nivel de proteccin.Ambos puntos de operacin estn al menos para un resistor de OM dado estrctamenteasociados entre s mediante la curva caracterstica tensin -corriente.

Requisitos adicionales comprometen las caractersticas elctricas de un descargador; stas nodeberan modificarse durante su vida til, mientras que, deben seguirse manteniendo: lainsensibilidad a las influencias ambientales, tales como la contaminacin, radiacin solar oesfuerzos mecnicos.

En la Figura 18 un diagrama de flujo ilustra un enfoque de configuracin de un descargador.En este caso se representa un descargador de alta tensin, ya que, en comparacin con undescargador de distribucin, aqu se tienen ms y mayores exigencias. Los pasos mostrados en eldiagrama se discutirn a continuacin, con ms detalle y en la secuencia en que se llevan a cabo.

Seleccin de la Tensin de Operacin Permanente y de la TensinNominal

Para que el descargador pueda proteger de modo seguro, debe poder trabajar con absolutasolvencia durante el servicio permanente. As, el primer paso es establecer una tensin deoperacin permanente Uc, mn mnimamente requerida. Como ya se mencion en relacin con laFigura 2, sta debe ser tan elevada como la tensin fase-tierra del sistema, con un adicional depor lo menos un 5%. La tolerancia tiene en cuenta posibles armnicas en la tensin del sistemaque pudiesen incrementar su valor de cresta1.

Aqu, tensin aplicada "permanentemente" significa toda tensin aplicada por un lapsoininterrumpido de ms de 30 minutos. Por este motivo, el mtodo de puesta a tierra del neutrodel sistema es decisivo para determinar la tensin permanente de operacin. En los sistemas conneutro aislado o de neutro a tierra resonante2, la tensin de una fase sana respecto de tierra tomael valor de la tensin de lnea en el caso de falla de una fase a tierra (factor de falla a tierra k =1,73). Dado que es prctica comn que los sistemas con neutro a tierra resonante se operen en

1 Debido a la extrema alinealidad de la caracterstica U-I, el valor eficaz de la tensin de frecuencia

industrial juega un papel menos importante que su valor de cresta, el que puede incrementar en formadesproporcionada la componente resistiva de la corriente permanente, peridicamente en el momento dela cresta de tensin.

2 Los sistemas con neutro a tierra resonante se encuentran principalmente en Europa Central, desde lasmedias tensiones hasta el nivel de 170 kV. Los sistemas con mayores niveles de tensin, en general,tienen los neutros rgidos a tierra.


esta condicin por perodos de tiempo mayores a los 30 minutos, la tensin permanente deoperacin de un descargador, en este caso, debe tener el valor de la tensin mxima del sistema,Us. Solamente aqu no se tiene en cuenta el cinco por ciento adicional:

Sistema con neutro rgido atierra:

Uc, mn 1,05 Us / 3

Sistema con neutro aislado o de neutro atierra resonante:

Uc, mn Us

Con la pre-seleccin de la tensin permanente de operacin mnimamente requerida, unfactor que usualmente tiene un valor de 1,251 por supuesto, existen excepciones colaborapara alcanzar una tensin nominal Url = 1,25 Uc, min. sta es una posible, aunque no definitiva,tensin nominal de un descargador:

Sistema con neutro rgido atierra:

Ur1 1,25 1,05 Us / 3

Sistema de con neutro aislado o de neutroa tierra resonante:

Ur1 1,25 Us

Sin embargo, la tensin nominal puede alcanzarse haciendo un enfoquecompletamente diferente, esto es, examinando las sobretensiones temporarias quepueden aparecer en el sistema. Ya se ha mencionado el caso especial de un sistemaoperado con neutro aislado o de tierra resonante en los que las sobretensionestemporarias determinan directamente la tensin permanente de operacin ya ha sidomencionado. Por otra parte, en el caso con neutro rgido a tierra, las sobretensionestemporarias pueden alcanzar valores de hasta 1.4 veces la mxima tensin fase-tierra (factor de falla a tierra k 1,4) por un lapso que vara desde una pocasdcimas de segundo hasta varios segundos. Una tensin de frecuencia industrial porarriba de la tensin permanente de operacin slo puede aplicarse sobre undescargador durante un perodo limitado de tiempo: cuanto mayor sea la tensin,menor ser el tiempo admisible de aplicacin. Esta correlacin se representa en latensin de frecuencia industrial-tiempo o caracterstica U-t (Figura 19). Esta indicala relacin entre la tensin admisible de frecuencia industrial y la tensin nominalUr, dadas ambas en valores eficaces, y el tiempo representado en escala logartmica.

1 No existen razones fsicas para el valor de 1,25; result ser un valor puramente emprico que apareci

durante el desarrollo (independiente) de los fabricantes de prcticamente todos los tipos de descargadoresde OM.


La relacin se denomina factor ktov. En este caso se asume que el descargador esten un estado desfavorable, es decir, que el descargador ha sido previamentecalentado hasta los 60 C, y directamente antes de la aplicacin de la tensin defrecuencia industrial tuvo que absorber la totalidad de su energa trmica nominal.De la Figura 19 es evidente que bajo estas condiciones, la tensin nominal Ur puedeaplicarse por un lapso de 100 segundos1. Por otra parte, la tensin para diezsegundos est un 7,5 % por sobre la tensin nominal y la tensin para un segundoya est un 15 % arriba.

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

0,1 1 10 100 1000

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ktov

= U

/Ur

Fig. 19: Ejemplo de una caracterstica tensin de frecuencia industrial-tiempo (U-t)

La caracterstica U-t se aplica del siguiente modo: podra conocerse, por ejemplo, elvalor de la tensin Utov que aparece en un sistema por un lapso de 1 s. Esta tensindebe corresponder, de acuerdo a la curva caracterstica U-t, a 1,15 veces la tensinnominal del descargador (ktov = 1,15). En otras palabras, la tensin nominal deldescargador posiblemente seleccionada, Ur2, es la tensin que aparece para 1 sdividida por un factor ktov, que es vlida para un lapso de 1 s, en este caso, porconsiguiente, Ur2 = U1s / 1,15. En general esto se expresa como sigue:

Sistema con neutro rgido a tierra:Ur2 = Utov / ktov

1 En el ensayo de funcionamiento (durante el ensayo de tipo) la tensin nominal slo necesita aplicarse

durante 10 segundos. En este caso la configuracin a 100 segundos provee seguridad adicional.


Si, como consecuencia de conocer las condiciones del sistema, se dispone de un grupo devalores de sobretensiones con sus correspondientes tiempos de duracin, entonces, para cada unopueden determinarse separadamente las correspondientes tensiones nominales. Si no se disponede informacin en absoluto, entonces, en el caso con neutro rgido a tierra, deberan asumirse unfactor de falla a tierra de 1,4 y un lapso de diez segundos para la presencia de sobretensionestemporarias. El mayor valor de las diferentes tensiones nominales determinado a partir de las desobretensiones temporarias como se describi arriba, es la tensin nominal Ur2 en la Figura 18.Ahora slo se necesita un pequeo paso para determinar la tensin nominal final del d

siemens manual de descargadores de sobretension

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