PROTECCION CONTRA SOBRETENSIONES

ELT-3851
Técnicas de Alta Tensión
Técnicas de Alta Tensión
PROTECCION
CONTRA
SOBRETENSIONES
1.- Introducción
¾
La finalidad de los elementos de protecció
protección es
descargar a tierra las sobretensiones que afecten al
sistema, proporcioná
proporcionándoles un camino libre con baja
impedancia.
¾
En funció
función al origen de las sobretensiones se tiene
siguientes elementos de protecció
protección:
z Sobretensiones
internas; los explosores y
pararrayos.
z Sobretensiones externas
• Sobretensiones indirectas; los explosores y
pararrayos.
• Sobretensiones directas; bayonetas e hilos
guarda
Ramiro Herrera Vargas
los
los
los
de
1
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2.- Protección contra
sobretensiones internas
¾
Ramiro Herrera Vargas
Los elementos de protecció
protección tienen las siguientes
funciones:
z Soportar las tensiones normales de operació
operación sin que
ocurran descargas.
z Descargar
a una tensió
tensión predeterminada para
permitir el flujo de la corriente de impulso de
descarga a travé
través del pararrayos.
z Interrumpir la corriente de potencia que circula a
travé
través del mismo despué
después de su operació
operación.
2
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2.1.- Explosores
¾
¾
¾
¾
Los explosores o entrehierros, son elementos de
protección cuyo principio de funcionamiento se basa en
la ruptura de la rigidez dieléctrica del aire cuando el
campo eléctrico entre ellos alcanza la tensión necesaria
para iniciar los procesos de ionización que han de crear
el camino conductor entre ellos, la que se ve afectada
por las condiciones atmosféricas y ambientales.
Son de bajo costo y se los emplea en líneas de
subtransmisión y redes de distribución. También se usan
como protección de respaldo.
Este dispositivo tiene sus limitaciones, una de las más
importantes es que no son capaces en la mayoría de los
casos de interrumpir la corriente de frecuencia de
potencia que se establece después de su operación.
El tiempo de operación esta formado por:
z
z
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El tiempo estadístico de demora, es el tiempo
transcurrido desde que se cumple la condición de
que la tensión aplicada es mayor o igual a la tensión
de ruptura hasta que aparece el primer electrón libre
capaz de iniciar la avalancha.
El tiempo formativo de demora, es el tiempo
requerido por la descarga para desarrollarse después
de la aparición del primer electrón que produce una
avalancha exitosa, que provoca la ruptura dieléctrica
del aire.
3
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2.2 Pararrayos de carburo
de silicio
¾
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Esta compuesto por las siguientes partes:
z Cámara aislante, cuyas funciones son la de aislar los
elementos que se encuentran en su interior del medio
exterior y aislar el terminal de alta tensión de la
conexión de tierra.
z Entrehierros o descargadores, están formados por
una serie de placas metálicas pulidas separadas por
aislantes.
z Resistencias no lineales, que tienen la característica
de variar su resistencia con gran rapidez con la
variación de la tensión aplicada.
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2.3 Pararrayos de óxidos
metálicos
¾
¾
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La principal característica de los pararrayos de óxido
metálico es que ellos operan sin la necesidad de utilizar
entrehierros.
Esta compuesto por:
z Una
cámara aislante de porcelana o de algún
compuesto polimérico.
z Resistencias no lineales, en forma de discos con una
composición de:
• 85–90% ; Oxido de zinc (Zn O)
• 10–15% ; Otros óxidos metalitos (Bi2O3, Sb2O2,
CaO, MnO2), que aumentan la conductividad.
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Las ventajas de los pararrayos de ZnO con respecto a
los convencionales son:
Simplicidad en su construcción, que lo hace mas
compacto y aumenta su confiabilidad.
Nivel de protección constante debido a la ausencia
de entrehierro, con una mejor característica
tensión-corriente.
Mayor capacidad de absorción de energía, por lo
que pueden soportar mayor cantidad de
operaciones.
Posibilidad de dividir la energía de la sobretensión
entre los diferentes pararrayos instalados en la
subestación.
Inicia y finaliza la conducción en forma suave.
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Para una adecuada protección contra
sobretensiones se debe considerar:
¾
¾
¾
Dimensionamiento de los pararrayos
• Tensión nominal
• Corriente nominal
Ubicación
Puesta a tierra
a) Tensión nominal
¾
¾
¾
Es el valor eficaz de la tensión alterna a frecuencia
industrial que el pararrayos puede soportar en forma
permanente, además que permite la desionización o
interrupción de la corriente de descarga por el pararrayos.
Se tienen dos métodos para la determinación de la
tensión nominal del pararrayos:
Método de calculo general:
V p = K T ⋅ Vmax
¾
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Para cálculos rápidos se puede considerar lo siguiente:
z KT = 0.8 ; para sistemas con neutro efectivamente
aterrado.
z KT = 1.0 ; para sistemas con neutro aislado de la
tierra.
7
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¾
Método para el calculo de la tensión nominal de los
pararrayos de ZnO:
V
COV = m
Tensión Continua de Operación (COV):
3
Sobretensión Temporal (TOV):
TOV = K e ⋅ COV
Para sistemas solidamente aterrizado, Ke = 1.4
Para sistemas aislado, Ke = 1.73
La tensión nominal del pararrayos VNP, se elige
seleccionando el mayor valor entre VP0 y VPt:
VP0 =
¾
¾
¾
COV
K0
VPt =
TOV
Kt
K0 ; factor de diseño según el fabricante, normalmente K0
= 0.8.
Kt ; capacidad del pararrayos contra sobretensiones
temporales el cual depende del tiempo de duración de la
sobretensión.
• Kt = 1.15 ; para 1 segundo.
• Kt = 1.10 ; para 10 segundos.
• Kt = 0.95 ; para 2 horas.
Finalmente se elige el mayor entre VP0 y VPt , para el
calculo final de la tensión nominal del pararrayos con un
margen de seguridad del 10% para tensiones menores a
100 kV y 5% para tensiones mayores a 100 kV.
VP = f s ⋅ V>0 o t
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b) Corriente de descarga
¾
¾
¾
Es el valor pico de un impulso de corriente normalizada de
8/20 µs, que el pararrayos puede descargar o conducir sin
dañarse.
Estudios estadísticos indican que:
z 90% de las descargas son inferiores a 5 KA.
z 70% de las descargas son inferiores a 2 KA.
z 95% de las descargas son inferiores a 10 KA.
z 1 al 4% de las descargas son superiores a 10 KA.
La corriente nominal del pararrayos se la puede obtener de
la siguiente forma:
2 BIL
2 BIL − Vr
I d = K at
I d = K at
Z0
Z 0 + Re
c) Localización del pararrayos
¾
¾
Un factor importante para tener una adecuada protección
contra sobretensiones además de la elección del pararrayos,
es su ubicación respecto a los equipos a proteger.
La protección del pararrayos es máxima en el lugar de su
instalación y va reduciendo a medida que se va alejando del
pararrayos por lo que se tiene un limite de distancia para
una protección adecuada.
BIL
0.8 BIL
Vx
Vr
xmax
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x
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El voltaje a que esta sometido el equipo a proteger puede
ser calculado por las siguientes relaciones:
a) Equipo a proteger antes del pararrayos.
dV x
V ( x) = V + 2
*
r
dt v
b) Equipo a proteger después del pararrayos.
V ( x ) = Vr + 2
dV
dt
*
x
v
V ( x ) = 2 * Vr
si
2
si
2
dV
*
dt
dV
x
v
*
dt
< Vr
x
v
≥ Vr
Vr ; Tensión residual al impulso de corriente (catalogo).
dV/dt ; Pendiente del frente de onda que para fines de calculo se
consideran 100 (KV/µs) por cada 12 KV de la tensión nominal del
pararrayos.
x ; Distancia del equipo al pararrayos.
v ; Velocidad de propagación de la onda.
Para líneas aéreas es: 3*108(m/s).
Para líneas subterráneas es: 1.5*108 (m/s).
El margen de seguridad debe ser mayor o igual al 20%, por lo
que el voltaje que puede llegar al equipo será menor o igual
al 80% del nivel de aislación del equipo a proteger (BIL), por
lo tanto se tiene:
V ( x ) max = 0.8 * BIL = Vr + 2
dV
dt
*
xmax
v
x max = L =
( 0.8 BIL −V r )
2* dV
dt
*v
El margen de protección contra descargas atmosféricas o
sobretensiones por maniobras de los equipos a proteger
puede ser calculado por la siguiente expresión:
Máximo margen de protección
MPmax =
BIL − V
V
r * 100 %
r
Margen de protección en el equipo a proteger
MPequipo =
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BIL −V X
* 100%
VX
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d) Sistema de puesta a tierra
Que es un sistema de puesta a
tierra?
¾
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Parte del Sistema de Protección Contra Rayos,
destinada a conducir y dispersar en el suelo la
corriente de la descarga atmosférica.
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Definición
IBNORCA
¾
Comprende toda conexión metálica directa sin
fusible ni protección alguna, de sección
suficiente entre determinados elementos o
partes de una instalación eléctrica y un electrodo
o grupo de electrodos enterrados en el suelo,
con objeto de conseguir que en las diversas
instalaciones, no existan diferencias de potencial
peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el
paso a tierra de las corrientes de falla o la de
descarga de origen atmosférico.
Objetivos
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Asegurar en caso de falla que los equipos
normalmente sin potencial, no adquieran un potencial
peligroso para la vida humana y los mismos equipos.
Limitar las sobretensiones internas que puedan
aparecer en el sistema.
Permitir la protección contra descargas atmosféricas
evitando cebados inversos.
Permitir la detección de las corrientes de falla a tierra.
Estabilizar los voltajes fase a tierra en líneas
eléctricas bajo condiciones de régimen permanente.
Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la
cual pueda operar equipo electrónico.
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Para qué se utiliza un sistema
de puesta a tierra?
¾ Conducción
y dispersión de la corriente del
rayo en la tierra
¾ Conexión equipotencial entre los conductores
bajantes del sistema protección contra rayos
¾ Conexión equipotencial funcional
¾ Control del potencial en las subestaciones y
en la cercanía de las edificaciones
¾ Posibilita la protección contra el contacto
indirecto
Tipos de puesta a tierra
¾
Puesta a tierra de servicio; necesaria para el
correcto funcionamiento de los equipos
eléctricos.
¾
Puesta a tierra de protección; para dar un
potencial bajo a las partes metálicas de una
subestaciones.
¾
Puesta a tierra de trabajo; es de carácter
provisional para la ejecución de trabajos de
reparación y mantenimiento.
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Esquemas de conexión a tierra
¾ Esquema
¾ Esquema
¾ Esquema
¾
Primera letra
z
z
¾
T – Conexión de un punto con tierra
I – Aislación de todas las partes activas con relación a tierra a través de una
impedancia elevada
Segunda letra
z
z
¾
TT
TN
IT
T – Masas directamente conectadas a tierra, independiente de la puesta tierra
eventual de un punto de la alimentación.
N – Masa conectada directamente al punto de la alimentación que esta puesto
a tierra.
Letras eventuales
z
z
S – Funciones de los conductores neutro y de protección separados.
C – Funciones de los conductores neutro y de protección, común o
combinados.
¾ Esquema
TT
¾ Esquema
TN-C
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¾ Esquema
TN-S
¾ Esquema
IT
De qué esta formado un sistema de
puesta a tierra ?
¾ Terreno
¾ Electrodos
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Resistividad del terreno
¾
Es la resistencia que presenta al paso de la
corriente un cubo de terreno de un metro de
lado.
¾
La resistividad del terreno depende de:
z
z
z
z
z
z
z
z
Naturaleza del terreno
Humedad
Estratificación
Salinidad
Temperatura
Variaciones estaciónales
Compactación
Factores de naturaleza eléctrica
Resistividad según la naturaleza del
terreno
TIPO
Agua de mar
0,1 – 1
Suelo pantanoso
5 – 100
Tierra de jardín con 50% de humedad
140
Tierra de jardín con 20% de humedad
480
Arcilla seca
1500 - 5000
Arcilla con 40% de humedad
80
Arcilla con 20% de humedad
330
Arena mojada
1300
Arena seca
3000 – 8000
Granito
1500 - 10000
Hielo
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Ohm-metro
10000 - 100000
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Tipos de electrodos de
puesta a tierra
¾ Electrodos
de placa o planchas
¾ Electrodos en barra o varillas
¾ Cables enterrados o mallas
¾ El cimiento como electrodo de puesta a
tierra
Dimensionamiento del sistema de
puesta a tierra
¾ Electrodos en barra o varillas
z
Una varilla
R1V =
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ρa  4L 
ln 
2πL  D 
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z
Tres varillas en disposición triangulo
Req∆ = K ∆ R1V
¾ Cables enterrados o mallas
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Calidad de la puesta a tierra
Resistencia eléctrica (Ω)
Alta tensión
Baja tensión
< 1
Excelente
Excelente
1 a 5
Muy buena
Buena
5 a 10
Buena
Aceptable
10 a 15
Aceptable
Regular
15 a 20
Regular
Mala
> 20
Mala
Pésima
3. Protección contra descargas directas
¾
Para la protección de líneas contra descargas directas se
utiliza un blindaje éste consiste en interceptar las descargas
atmosféricas y conducirlas a tierra por medio de un
conductor conectado a tierra que normalmente se le
denomina cable de guarda con el objetivo de disminuir a
una razón de riesgo de falla aceptable el impacto directo en
los conductores de fase.
¾
Cables de guarda
Denominados hilos de guarda, cable protector o cables de
tierra, se los construye de cables de acero galvanizado de
una sección no inferior a 50 mm2 y se instalan en la parte
más elevada de la torre de transmisión con un ángulo
respecto a su línea vertical y el conductor de fase más
externo, conocido como ángulo de protección o blindaje, θo.
¾
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Angulo de protecció
protección positivo
¾
¾
¾
Angulo de protecció
protección negativo
Uno de los modelos para el análisis de este tipo de blindaje
es el Modelo electrogeométrico.
La Teoría Electrogeométrica propone que la descarga
atmosférica esta precedida de la formación de un canal
guía conductor, que cuando alcanza la tierra da paso a la
descarga atmosférica. El canal guía de la descarga se
desarrolla en una dirección no dependiente de la
distribución de los objetos en tierra, hasta que se aproxima
a una distancia Rs, donde es posible que surja una
descarga piloto y por tanto la perforación eléctrica del
espacio e impacto del rayo en ese punto, es decir en su
trayectoria a tierra el canal guía brinca hacia aquel objeto
que esta a una distancia de la punta del canal guía.
Esta distancia Rs denominada distancia crítica de
rompimiento / distancia de impacto / distancia de descarga
critica, esta relacionada con la amplitud de la corriente
critica de descarga.
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¾
Distancia de descarga critica
Rs = 9 ⋅ K ⋅ I 00, 65
• K=1 para cable de guarda
• K=2 para bayonetas o puntas
¾
Corriente critica de descarga
I0 =
2 ⋅ TCF
Z0
Rs = Rc ≈ Rg
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Como esta protección no es perfecta es necesario
realizar un análisis de su probabilidad de falla.
a. Descarga en los cables de guarda
¾ La probabilidad de falla del blindaje (PB)
lg PB =
θ s H cg
90
−2
Donde:
• θs ; Angulo de protección
• Hcg ; Altura del cable de guarda
¾
Número de descargas (F1)
F1 = 2.7 ⋅ H cg ⋅
DT
30
Donde:
• DT ; Nivel isoceráunico
¾
La probabilidad que una descarga atmosférica pueda
exceder la corriente crítica del rayo que causa el
flameo es (P1)
lg P1 = 2 −
I0
60
Donde:
• I0 ; Corriente crítica de flameo
¾
Fallas de la línea de transmisión al año por
causa de las descargas (TF)
TF = PB ⋅ F1 ⋅ P1 ⋅10 −4
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b. Descarga en torres
¾ El comportamiento de las torres soporte de las líneas
de transmisión depende de su impedancia
característica, la que esta en función de la geometría,
altura (h) y radio aparente (r) de la torre.
¾ Cónica
 h2 
Z t = 30 ln1 + 2 
 r 
¾
Cilíndrica
r
h
Z t = 60 ln  + 90 − 60
h
r
¾
El potencial en la parte superior de la torre se obtiene
a partir de la impedancia equivalente de la torre el
cable de guarda (Zetg)
Z etg =
¾
Zt
1+ 2
Zt
Zg
Potencial en la parte superior de la torre (Vs)
Vs = (1 − k )Vt
Vt = I 0 Z e
¾
¾
¾
¾
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Z e = Z etg // Z s
Donde:
Zs ; Impedancia característica del canal de descarga
K ; Factor de proporcionalidad de la tensión inducida
en las fases (0.15-0.3)
Ze ; Impedancia equivalente
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