Protección contra sobretensiones

Protecciones Contra
Sobretensiones Transitorias
en Sistemas de MT y BT
Francisco Javier Amórtegui Gil
SPT INGENIERIA LTDA
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Particularidades de un sistema de
Distribución en Media y Baja tensión.
¾ Origen de las sobretensiones
¾ Causas y efectos de las sobretensiones
¾ Caracterización de las sobretensiones
¾ Compatibilidad Electromagnética
2
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Particularidades de un sistema de
Distribución en Media y Baja tensión
¾ Tensiones comprendidas entre 208/120 V y
44/26 kV
¾ Redes usualmente radiales, con posibilidad
de suplencia
¾ Longitud de decenas de kilómetros (V/kV ≈
L/km)
¾ Corrientes de corto en MT del orden de los
kA y en BT del orden de las decenas de KA
3
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Particularidades de un sistema de
Distribución en Media y Baja tensión
(Cont.)
¾ Redes aéreas de 8 a 12 metros de altura
¾ Redes subterráneas de MT y BT en ductos no
conductores
¾ Redes subterráneas de MT en cable blindado
¾ Instalaciones Internas en ductos no
conductores
¾ Instalaciones Internas en ductos conductores
4
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Origen de las sobretensiones
¾ De Origen Interno
¾ Maniobras de Apertura y Cierre de circuitos
(Líneas)
¾ Maniobras de Conexión y desconexión de
cargas
¾ Cortocircuitos entre fases o entre ellas y
tierra
¾ Despeje de cortocircuitos
¾ Ferro resonancia
5
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Origen de las sobretensiones
¾ De Origen Externo
¾ Rayos Nube-Tierra a la red o en las
cercanías.
¾ Rayos Nube-Nube
¾ Energización accidental desde otro sistema
cercano.
¾ Descargas electrostáticas
6
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Causas de las sobretensiones
¾ Internas
¾ Limitaciones de las protecciones contra
sobretensión
¾ Errores al reconfigurar un circuito
¾ Envejecimiento prematuro de los
aislamientos
¾ Vandalismo
7
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Envejecimiento de materiales aislantes
150
soportada
Tensión maxima
Envejecimiento de materiales
100
50
0
0
5
10
15
20
Años de uso
8
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Causas de las sobretensiones
¾ Internas (Cont.)
¾ Animales dentro de zonas energizadas
¾ Debilidades en diseño de sistemas de
seccionamiento (Operación Monopolar)
9
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Causas de las sobretensiones
¾ Externas
¾ Deficiencias de diseño de los sistemas de
protección.
¾ Deterioro de los componentes de protección
¾ Cambios no previstos en la red
10
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Efectos de las sobretensiones
¾ Deterioro o Daño de Equipos del
sistema o del usuario.
¾ Salidas del sistema por cortocircuitos al
fallar aislamientos.
¾ Incendios por arco o calentamiento de
Conductores.
11
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Efectos de las sobretensiones
Magnitud en PU
Corriente de Cortocircuito
100
50
0
-50 0
50
100
150
200
-100
Tiempo en ms
12
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Efectos de las sobretensiones
(Cont.).
¾ Heridas a personas por arcos.
¾ Muerte de personas por arcos o
electrocución.
¾ Muerte o heridas por incendio.
13
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Caracterización de las sobretensiones.
¾ Originadas en Rayos:
¾ Características del Rayo
¾ Densidad de Rayos a tierra
¾ Sobretensiones originadas en Rayos
¾ Directos
¾ Indirectos
14
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Características de los rayos
¾ Un rayo es la descarga de una nube a través
del aire.
¾ Sus corrientes son del orden de 3 a 200 kA,
con una media alrededor de 35 kA.
¾ El tiempo de ascenso de uno de los impulsos
de corriente de un rayo es del orden del
Microsegundo y el decaimiento del orden de
centenas de microsegundo.
15
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Características de los rayos (Cont.)
¾ Entregan carga eléctrica del orden de 30 C
¾ Pueden tener mas de un impulso, hasta 15 o
20.
¾ Vienen de fuentes equivalentes de millones de
ohmios, por lo que se consideran fuentes de
corriente al llegar al suelo.
16
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Características de los rayos (Cont.)
¾ La caída de rayos al suelo, o a estructuras,
esa aleatoria pues depende muy
sensiblemente de muchas variables
ambientales, por lo que se requiere darle
un tratamiento estadístico, a partir de la
toma de datos multianual.
17
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Caracterización de las sobretensiones.
¾ Originadas en Maniobras:
¾
¾
¾
¾
Circuito RL
Circuito RLC
Ferro-resonancia
Cortocircuitos
18
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Caracterización de las sobretensiones
¾ Desconexión de un circuito RLC
R=10 Ohm
100 V
L=2H
250 Ohm
19
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Caracterización de las sobretensiones
¾ La corriente por la bobina es de 10 A, al
abrir el
10 A
OA
¾ circuito, la
¾ corriente
100 V
10 A
¾ en la bobina
¾ permanece
20
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Caracterización de las sobretensiones
¾ Aparecen 2500 Voltios en la bobina y la
resistencia.
10 A
2500 V
21
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Caracterización de las sobretensiones.
¾ Originadas en contactos con circuitos
vecinos.
¾ Originadas en cercanías de circuitos
vecinos.
22
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Compatibilidad Electromagnética.
¾ El Uso de la Electricidad y algunos
fenómenos naturales producen
interferencia electromagnética
¾ A los equipos o fenómenos
generadores de interferencia se les
denomina “Emisores”
23
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Compatibilidad Electromagnética
¾ Todos los equipos e Instalaciones
Eléctricas pueden recibir interferencia del
ambiente que puede alterar su operación
normal o deteriorar los equipos.
¾ A los equipos susceptibles de ser alterados
por la interferencia electromagnética se les
denomina “Receptores”
24
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Compatibilidad Electromagnética
¾ Los mecanismos de acoplamiento del
campo electromagnético entre emisores
de interferencia y receptores se
denominan “canales” de acoplamiento.
¾ Pueden ser: Inductivos, Capacitivos o
Resistivos.
25
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Compatibilidad Electromagnética
Esquema de Acoplamiento del CEM
Emisor de
interferencia
Canal o
mecanismo de
acoplamiento
Receptor de
Interferencia
26
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Magnético
¾ Toda Corriente Eléctrica produce un
campo magnético a su alrededor, cuya
magnitud puede ser hallada a partir de
la ley de Ampere.
B =
µ
0
× I
2 πρ
27
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Magnético
¾ Todo campo magnético dentro de un
circuito (espira) produce una tensión
inducida, cuya magnitud puede hallarse
a partir de la ley de Faraday.
∂
∂i1
fem2 = (Φ m12 ) = M 12 •
∂t
∂t
28
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Magnético
¾ ¿Qué interferencia se presentará en la línea
telefónica de 10 metros de largo, separada 2,5
del conductor que lleva una corriente alterna de
100A pico, 60 Hz?
¾ Suponga las condiciones mas criticas y que los
conductores telefónicos están separados 5mm
entre sí.
29
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Magnético
¾
Las condiciones mas criticas se presentan cuando los
tres conductores: telefónicos y de potencia, están en
el mismo plano
I = 100Sen(377t) A
30
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Magnético
¾ La tensión inducida se puede hallar con el
modelo de acoplamiento magnético. Con:
∂
¾ I = 100.Sen(377.t) A;
(Φ m
f .e . m . =
∂t
¾ ρ = 2,5m; l = 10m y
Φ = B × A
¾ s = 5mm,
A = l × s
¾ la fem. inducida será
µ 0 × I
¾ de 0,106mVrms
B =
2 πρ
)
31
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Magnético
¾ Si en el caso anterior la corriente que
circula no es de potencia de 60 Hz, sino
que es una corriente de 20 kA, con un
tiempo de ascenso de 0,5 microsegundos,
como la correspondiente a un rayo. ¿Qué
tensión aparece en la línea telefónica?
32
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Magnético
¾ Si se tiene en cuenta solo el acoplamiento
magnético, la tensión sería de 400 V pico,
durante el tiempo de ascenso de la
corriente.
33
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Capacitivo
¾ La cercanía de un conductor a otro que este
cargado, produce sobre el un desplazamiento de
carga.
C12
1
C1
2
C2
34
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Capacitivo
¾ La corriente inducida por un conductor
cercano.
∂V
ic = C •
∂T
35
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Capacitivo
¾ Se tiene una línea (unifilar) energizada a una fase
con 230 kV a una altura de 20m, y una línea de
Media Tensión de 10km, paralela a la línea de alta
tensión, desconectada y localizada debajo de la de
230 kV, pero a una altura de 10 m (suponga que
ambas líneas tienen 1 cm de radio). Determine la
tensión inducida y la corriente que podría entregar
a una persona de 1000 Ohmios
36
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Capacitivo
230kV
1
C12
C2 2
C1
37
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Capacitivo
¾ Usando el método de simulación de carga,
resultaría:
38
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Resistivo
¾ La circulación de corriente por una
resistencia produce una tensión.
1
2
R0
I
R1
R2
39
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Resistivo
¾ Los valores de las tensiones pueden ser
hallados con ayuda de la ley de Ohm.
R2
V 2 = V1 •
R0 + R2
R1 • R 2
V2 = I •
R1 + R 2 + R 0
40
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Resistivo
¾ ¿Qué tensión aparecerá en la malla
(resistencia) vecina?
20 kV
1 kV
100 Ω
5,25Ω
5,25Ω
41
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Resistivo
¾ Ejemplo: Determine la tensión que aparece
en una malla, debido a una falla en una
malla vecina, que la energiza a 20 kV. Las
resistencias de aterrizamiento de las
mallas es de 5 Ohmios y la resistencia
mutua entre las mallas es de 0,25 Ohmios.
42
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
¾ Acoplamiento Resistivo
V1 de 20 kV
V2=?
43
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
Gracias por su
atención
44
Protección contra sobretensiones:
Nivelación: Conceptos Fundamentales
Gracias por su
atención
45