InsulationCoordination es

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Coordinación de aislamiento y transitorios de voltaje
para
Sistemas de energía eléctrica industrial
Sección IEEE del sur de Alberta
Seminario técnico del capítulo conjunto PES/IAS ­ noviembre de 2019
Presentadores:
Rasheek Rifaat, P.Eng, IEEE Life Fellow
Presidente de IEEE/IAS/
I&CPSD Worley, Calgary, AB
Xiaoke (Ken) Duan, P.Eng
Ingeniero eléctrico
Worley, Calgary, AB
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Contenido:
• Introducción
• Definiciones
• Coordinación de aislamiento
• Protección contra transitorios de sobretensión y aplicaciones de supresores de sobretensiones
• Modelado de interruptores para estudiar voltaje de recuperación transitorio (TRV)
• Protección contra Rayos para una Línea OH de Distribución; Caso de estudio
• Una breve discusión sobre sobretensiones de frente lento (SFO), sobretensiones de frente
rápido (FFO), sobretensiones transitorias muy rápidas (VFTO) y Ferro
Resonancia
• Estándares, libros y referencias clave
Coordinación de aislamiento y transitorios de voltaje ­ Rifaat­Duan
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Introducción
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Principales Sectores del Sistema de Energía Eléctrica
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Material aislante para media y alta tensión
Sistemas
• Aire
• Gas (es decir, SF6 y GIS)
• Líquidos (es decir, aceite en transformadores)
• Sólidos (es decir, papel, PVC en cables, plásticos en interruptores) • Las fallas en el
aislamiento causan riesgos de seguridad para las personas, incendios
y cortes del sistema
• Las fallas pueden deberse al envejecimiento del aislamiento.
• La falla también puede deberse a aumentos repentinos de voltaje (es decir,
transitorios) más allá de las clasificaciones del material de aislamiento.
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Ejemplos de aislamiento en sistemas HV y MV
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Transitorio del sistema en sistemas de media y alta tensión
• Causas externas versus causas internas
• Estudios deterministas versus estadísticos o estocásticos
• Los fenómenos transitorios tienen diferentes marcos temporales
• El estudio de transitorios es muy importante para los sistemas de energía. Este
El tutorial es una introducción a los transitorios de voltaje.
Variaciones de carga
Regulación de líneas de amarre
Dinámico a largo plazo
Estabilidad transitoria
Resonancia subsincrónica
Traspuesta
Iluminación
10­7
10­6
10­5
10­4
10­3
10­2
10­1
1
101
102
103
104
Tiempo en
Segundos
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IEC 60071­1 Clases y formas de sobretensiones
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¿Necesitamos estudios transitorios en sistemas de media tensión?
• Los estudios transitorios pueden abordar:
• Sobretensión temporal (TOV) •
Sobretensión frontal lenta (SFO) •
Sobretensión frontal rápida (FFO) •
Sobretensión transitoria muy rápida (VFTO) • Tensión
de recuperación transitoria (TRV) • Ferro­
resonancia
• En general, el diseño de aislamiento en Sistemas de Media Tensión (MT) y en
sistemas industriales típicos tiene márgenes de seguridad considerables.
Por lo general, no se realizan estudios elaborados sobre transitorios de
rayos y conmutación en las primeras etapas del diseño. Sin embargo, más
sistemas industriales incluyen componentes de mayor voltaje y disposiciones
especiales que pueden necesitar estudios transitorios.
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¿Necesitamos estudios de transitorios en sistemas industriales de
media tensión y alta tensión? (Continuación)
• Los sistemas con configuraciones, clasificaciones o componentes especiales pueden estar sujetos
a transitorios más allá de la capacidad de sus clasificaciones de aislamiento típicas. En tales
casos se recomiendan estudios transitorios. Ejemplos en los que podemos necesitar examinar
los transitorios del sistema son: • Capacitores y conmutación de
capacitores • Largos tramos de cables •
Transformadores de
potencial y distribución conectados a cables largos • Disyuntores de generador
• Algunas conexiones de reactores limitadores de corriente . •
Cuando un sistema no está conectado a tierra o no está conectado a tierra de manera efectiva,
puede estar sujeto a transitorios durante la conmutación o la energización.
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¿Necesitamos estudios de transitorios en sistemas industriales de
media tensión y alta tensión? (Continuación)
• Al examinar los transitorios, los sistemas interiores (aparamenta de distribución, cables
aislados, etc.) son diferentes de las instalaciones exteriores (líneas aéreas hasta
plataformas de pozos, etc.)
• Si la configuración o los componentes del sistema cambian para una actualización o
mejora de la capacidad o por otras razones, se deben evaluar las necesidades de
la nueva configuración y se deben realizar los estudios requeridos según sea
necesario.
• Cuando un sistema no está conectado a tierra o no está conectado a tierra de manera
efectiva, puede estar sujeto a transitorios durante la conmutación o la energización.
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¿Cuándo debemos empezar a pensar en estudios de
coordinación de aislamiento y transitorios de tensión?
• Ejemplos: •
Blindaje de subestación y protección contra rayos •
Selección de pararrayos para protección de equipos •
Voltaje de recuperación transitorio (TRV) y especificación de
disyuntores de alta tensión y otros casos especiales de
transitorios de conmutación • Conmutación de cables de alto y extra
alto voltaje, y
puesta a tierra de vaina • Protección contra
transitorios de voltaje GIS (VFTO) • Sistemas puestos a tierra con neutro de al
condiciones
• Ferrorresonancia
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¿Qué herramientas se pueden utilizar para estudios típicos?
• Métodos estándar como se demuestra en Guías y
Prácticas recomendadas (herramientas como hojas de cálculo, etc.) •
Software de transitorios (principalmente en el dominio del tiempo)
• El ejemplo son los programas transitorios electromagnéticos (EMTP)
como ATP, PSCAD, EMTP­RV, etc.
• El modelado correcto del equipo es fundamental cuando se utiliza
software
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Coordinación de aislamiento
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Definición de “coordinación de aislamiento”
• Comprender la definición asociada con “Aislamiento
La coordinación” es muy importante para realizar estudios relevantes.
• Las definiciones se enumeran en varias referencias y en esta presentación seleccionamos
aquellas enumeradas en IEEE Std 62.82.1 como nuestras definiciones a las que se
hace referencia.
• Para fines de demostración, seleccionamos definiciones asociadas con
los temas de nuestra presentación. Otras definiciones son de igual
importancia y deben consultarse al realizar estudios.
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dieciséis
Definición de “Coordinación de aislamiento” según IEEE Std 62.82.1
“coordinación de aislamiento”: La selección de la resistencia
del aislamiento de los equipos en relación con las tensiones,
que pueden aparecer en el sistema al que están destinados
los equipos y teniendo en cuenta el entorno de servicio y
las características de los dispositivos de protección
disponibles.
NOTA: Se considera un riesgo aceptable de falla al seleccionar la
resistencia del aislamiento del equipo (¿Por qué y cuánto ?)
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Definiciones asociadas con los niveles de aislamiento [Ref: IEEE Std 62.82.1]:
• factor de corrección atmosférica: factor aplicado para tener en cuenta la
diferencia entre las condiciones atmosféricas en servicio y las condiciones atmosféricas
estándar. (NOTA: En términos de esta norma, se aplica únicamente al aislamiento
expuesto a la atmósfera).
• nivel de aislamiento básico del impulso del rayo (BIL): La resistencia eléctrica del aislamiento
expresada en términos del valor de cresta de un impulso del rayo estándar en condiciones
atmosféricas estándar. El BIL puede expresarse como estadístico o convencional.
• Nivel de aislamiento de impulso de conmutación básico (BSL): La resistencia eléctrica del
aislamiento expresada en términos del valor de cresta de un impulso de
conmutación estándar. BSL puede expresarse como estadístico o convencional.
• BIL convencional (nivel de aislamiento básico de impulso de rayo): la cresta
Valor de un impulso de rayo estándar para el cual el aislamiento no debe presentar
descarga disruptiva cuando se somete a un número específico de aplicaciones de este
impulso en condiciones específicas, aplicable específicamente a aislamientos que no
se restauran automáticamente.
• BSL convencional (nivel de aislamiento de impulso de conmutación básico): el valor de
cresta de un impulso de conmutación estándar para el cual el aislamiento no
presenta descarga disruptiva cuando se somete a un número específico de impulsos en
condiciones específicas, aplicable a aislamientos que no se restauran automáticamente.
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Definiciones asociadas con los niveles de aislamiento [Ref: IEEE Std 62.82.1] (continuación):
• Tensión soportada convencional: La tensión que soporta un sistema de aislamiento.
capaz de resistir sin fallas o descargas disruptivas bajo condiciones de prueba específicas.
• valor de cresta (valor pico): El valor absoluto máximo de una función cuando dicho máximo existe.
• voltaje de descarga disruptiva crítica (CFO): la amplitud del voltaje de una forma de onda dada que,
bajo condiciones específicas, causa descarga disruptiva a través del medio circundante
en el 50% de las aplicaciones de voltaje.
• forma de voltaje de impulso del rayo del frente de onda: Un impulso de voltaje, con una tasa de
aumento específica, que termina intencionalmente por chispazo de una brecha que ocurre en el
frente ascendente de la onda de voltaje con un tiempo específico para chispazo, y un voltaje
de cresta mínimo especificado
• sobretensión por rayo: tipo de sobretensión transitoria en la que un rayo produce una tensión de
frente rápido. Esta sobretensión suele ser unidireccional y de muy corta duración.
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Definiciones asociadas con los niveles de aislamiento [Ref: IEEE Std 62.82.1] (continuación)
• tensión máxima del sistema, Vm: la raíz cuadrática media (rms) más alta
voltaje entre fases que ocurre en el sistema bajo condiciones normales de operación,
y el voltaje rms entre fases más alto para el cual los equipos y otros
componentes del sistema están diseñados para un funcionamiento continuo
satisfactorio sin deterioro de ningún tipo.
• voltaje nominal del sistema: El voltaje rms entre fases por el cual se designa el
sistema y con el cual se relacionan ciertas características operativas del sistema.
NOTA: El voltaje nominal del sistema está cerca del nivel de voltaje al que
normalmente opera el sistema. Para permitir contingencias operativas, los sistemas
generalmente funcionan a niveles de voltaje entre un 5 % y un 10 % por debajo
del voltaje máximo del sistema para el cual están diseñados los componentes del
sistema.
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Definiciones asociadas con los niveles de aislamiento [Ref: IEEE Std 62.82.1] (continuación)
• sobretensión: Tensión, entre una fase y tierra o entre dos fases, que tiene un
valor de cresta superior a la cresta correspondiente de la tensión máxima del
sistema. La sobretensión puede clasificarse por forma y duración como temporal
o transitoria.
NOTA 1. A menos que se indique lo contrario, como en el caso de los pararrayos,
las sobretensiones se expresan por unidad con referencia a la tensión pico de fase
× (√2) / (√3).
a tierra a la tensión máxima del sistema, Vm. NOTA 2. Se
puede hacer una distinción general entre sobretensiones altamente amortiguadas de
relativamente de corta duración (sobretensiones transitorias) y sobretensiones no
amortiguadas o ligeramente amortiguadas de duración relativamente larga
(sobretensiones temporales). La transición entre estos dos grupos no puede definirse
claramente.
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Definiciones asociadas con los niveles de aislamiento [Ref: IEEE Std 62.82.1] (continuación)
• criterio de rendimiento: El criterio sobre el cual se selecciona la resistencia del
aislamiento o las tensiones soportadas y las distancias. El criterio de
desempeño se basa en una probabilidad aceptable de falla del aislamiento y
está determinado por las consecuencias de la falla, el nivel requerido de
confiabilidad, la vida útil esperada del equipo, la economía y los requisitos
operativos. El criterio suele expresarse en términos de una tasa de fallo
aceptable (número de fallos por año, años entre fallos, riesgo de fallo,
etc.) de la configuración de aislamiento.
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Definiciones asociadas con los niveles de aislamiento [Ref: IEEE Std 62.82.1] (continuación)
• margen de protección (PM): El valor de la relación de protección (PR), menos
uno, expresado como porcentaje. MP = (PR − 1) × 100.
• relación de protección (PR): La relación entre la resistencia del aislamiento del equipo protegido
y las sobretensiones que aparecen a través del aislamiento.
• nivel de protección contra impulsos de rayo de un dispositivo de protección contra
sobretensiones: El voltaje máximo de impulso de rayo esperado en los terminales de un
dispositivo de protección contra sobretensiones bajo condiciones de operación específicas.
• NOTA: Los niveles de protección del impulso del rayo son simulados por el
siguiente: 1) voltaje de descarga o descarga por impulso del frente de onda y 2) el mayor entre
un voltaje de descarga por impulso de 1.2/50 o el voltaje de descarga para una magnitud de
corriente y forma de onda especificadas.
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Definiciones asociadas con el material de aislamiento y la configuración [Ref: IEEE Std 62.82.1]
• aislamiento externo: El aislamiento del aire y las superficies expuestas del aislamiento sólido
de los equipos, que están sujetos a tensiones dieléctricas y a los efectos de las condiciones
atmosféricas y otras condiciones externas como la contaminación, la humedad y las
plagas.
• aislamiento interno: El aislamiento interno comprende los elementos internos sólidos, líquidos o
gaseosos del aislamiento de los equipos, que están protegidos de los efectos de las
condiciones atmosféricas y otras condiciones externas como contaminación, humedad y
alimañas.
• aislamiento no autorregenerable: Aislamiento que pierde sus propiedades
aislantes o no las recupera completamente, después de una descarga
disruptiva causada por la aplicación de una tensión de prueba; El aislamiento de este
tipo es generalmente, pero no necesariamente, aislamiento interno.
• aislamiento autorregenerable: Aislamiento que recupera completamente su
propiedades aislantes después de una descarga disruptiva causada por la aplicación de una
tensión de prueba; El aislamiento de este tipo es generalmente, pero no necesariamente,
aislamiento externo.
• configuración del aislamiento: La configuración geométrica completa del
aislamiento, incluyendo todos los elementos (aislantes y conductores) que influyen en su
comportamiento dieléctrico. Ejemplos de configuraciones de aislamiento son fase a tierra,
fase a fase y longitudinal.
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Protección contra transitorios de sobretensión y
Aplicaciones de los supresores de sobretensiones
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Introducción
¿Qué es un supresor de sobretensiones?
Un dispositivo de protección para limitar las sobretensiones en el equipo mediante la descarga o derivación de
sobretensiones; limita el flujo de corriente eléctrica a tierra y es capaz de repetir estas funciones como se
especifica (Ref: IEEE Std. C62.22­
2009).
¿Por qué necesitamos supresores de sobretensiones?
Proporcionar protección al aislamiento del equipo contra sobretensiones anormales.
NOTA: el protector contra sobretensiones solo puede activarse en caso de sobretensión de frecuencia
no eléctrica (sobretensión por rayo o conmutación)
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Definiciones
Corriente de descarga del pararrayos:
La corriente que fluye a través de un descargador como resultado de una sobretensión (Ref:
IEEE Std. C62.22­2009).
Voltaje de descarga del pararrayos o voltaje residual:
El voltaje que aparece a través de los terminales de un descargador durante el paso de
la corriente de descarga (Ref: IEEE Std. C62.22­2009).
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Consideraciones generales para los descargadores
Aplicaciones
1. Clase de pararrayos
2. Pararrayos MCOV
3. Capacidad de sobretensión temporal (TOV)
4. Relación de protección
5. Capacidad de manejo de energía de impulso de conmutación
6. Capacidad de alivio de presión del pararrayos
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Clase de pararrayos:
La clase de descargador está diseñada en base a:
1. Nivel de protección requerido
2. Clasificaciones de voltaje disponibles
3. Límites de corriente de alivio de presión (resistencia a
cortocircuitos )
4. Durabilidad
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Clase de pararrayos (continuación)
• Descargadores de clase estación para aplicaciones de
servicio pesado y los más duraderos
• Descargadores de clase intermedia para descargas moderadas.
aplicación de servicio (voltaje máximo del sistema 169 kV)
• Descargadores de clase de distribución para menores
Transformadores de tensión, líneas de transmisión y
distribución.
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Aplicaciones de clase
• Descargadores de clase estación para aplicaciones de servicio pesado y
los más duraderos
• Descargadores de clase intermedia para aplicaciones de servicio
moderado (voltaje máximo del sistema 169 kV)
• Descargadores de clase de distribución para baja tensión.
Transformadores, líneas de transmisión y distribución.
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Consideraciones generales para aplicaciones de descargadores (Ref: IEEE
Std C62.11­2012, Tabla C.1)
Clase
Clasificado
Corriente de
Voltaje
clasificación
Deber
MCOV
del impulso del
rayo (kA)
Corriente de
Resistencia
Resistencia
mínima de baja
Alta
corriente
clasificación de
mínima de corta
duración
corriente y
alivio de
presión
larga duración
(kA)
a alta
sobretensión de conmutación
(A)
corriente (kA)
Ciclo
Corriente baja
alivio de
presión (A)
(A.us)
Estación
3­48
2.55­39
10
500
54­312
42­245
10
500­1000
396­564 318­448
15
2000
576­612 462­485
20
2000
3.55­115
5
500
3­36
2.55­29
10
­
3­36
2.55­29
5
­
3­36
2.55­29
5
­
Intermedio 3­144
Distribución de
sesenta y cinco
sesenta y cinco
sesenta y cinco
sesenta y cinco
sesenta y cinco
100
­
40­65
400­800
­
40­65
400­800
­
40­65
400­800
­
40­65
400­800
­
16.1
400­800
250­2000
­
­
250­2000
­
­
250­2000
­
­
servicio pesado
Servicio normal
sesenta y cinco
de distribución
Distribución de
40
servicio ligero
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Sobretensión continua máxima del pararrayos
MCOV
▫ El valor RMS máximo diseñado de tensión de frecuencia
industrial que se puede aplicar continuamente
entre los terminales de los descargadores (Ref:
IEEE Std. C62.22­2009).
−(
)
=
−(
,
)/ 3
≥−
Dónde
−(
,
es el voltaje máximo de funcionamiento del sistema )
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Sobretensión temporal máxima del pararrayos
(TOV)
Capacidad de sobretensión temporal (TOV):
• Consisten en una oscilación de voltaje de frecuencia industrial
ligeramente amortiguada, a menudo con armónicos, que
generalmente dura un período de cientos de milisegundos o más.
• El descargador es capaz de funcionar durante períodos de tiempo
limitados a un voltaje que excede la clasificación MCOV.
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Capacidad de sobretensión temporal (cont.)
Una curva típica de capacidad TOV del pararrayos
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Capacidad de sobretensión temporal (TOV)
• Al seleccionar el MCOV del pararrayos, se deben
tener en cuenta la capacidad “TOV” del pararrayos.
• El requisito básico es que la potencia
El voltaje de frecuencia versus el tiempo debe ser mayor
que las características de amplitud versus duración del
TOV.
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Capacidad de sobretensión temporal (TOV) (cont.)
Se debe seleccionar un pararrayos con MCOV más alto.
El descargador seleccionado está bien.
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Relación de protección:
• Margen entre la resistencia del aislamiento del equipo y la
sobretensión en los terminales del equipo. Es la base para la
coordinación del aislamiento.
• El ratio de protección tiene en cuenta la
Ubicación del pararrayos, ya sea:
▫ Montado cerca / sobre el equipo protegido (por ejemplo,
transformador)
▫ Montado lejos del equipo protegido
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Relación de protección (continuación)
Cuando el descargador está montado sobre o cerca del equipo protegido, las
siguientes ecuaciones y relaciones son válidas:
PRL1 = CWW / FOW
PRL2 = BIL / LPL
PRS = BSL / SPL
Dónde:
▫ CWW, BIL y BSL son aislamientos de equipos protegidos.
nivel.
▫ FOW, LPL y SPL son niveles de protección del pararrayos.
▫ PRL1 y PRL2 ≥ 1,2 para equipos que no se restauran automáticamente;
1,15 para equipos autorrecuperables
▫ PRS ≥ 1,15
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Relación de protección (continuación)
• ¿Qué pasa con los casos en los que el arrestante no está
¿Montado cerca del equipo?
• La localización remota del pararrayos respecto del equipo a proteger
reduce el margen de protección.
• Para calcular la distancia de separación permitida entre el descargador y el
equipo, consulte el Anexo C de IEEE C62.22­09.
▫ Se utiliza para 69 kV y superiores, con sobretensiones que
ingresan a una subestación blindada y aislada en aire .
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Relación de protección (continuación):
Para equipos que no se restauran automáticamente, el
La distancia máxima de separación se calcula como:
=
0.385
0,870 −
(tiempo hasta la cresta con voltaje del pararrayos <2μs, VT /Vsa ≤ 1,10, PRT = 1,15) (Ec. C.3)
2,92 −0,870
=
0,957
0.385
2,92 −0,957
=
0.385
0,870 −
2,92 −0,870
−
(tiempo hasta la cresta con tensión del pararrayos <2μs, VT /Vsa > 1,10, PRT = 1,15) (Ec. C.4)
(tiempo hasta la cresta con voltaje del pararrayos ≥2μs, PRT = 1,15) (Ec. C.5)
Para equipos autorrecuperables, la distancia
máxima de separación se calcula como:
−
=
para VB /VSA ≤ 1,15 y PRB = 1,05
2 1.05
1.15
=
2
=
C.11)
1.05
−
para VB /VSA > 1,15 y PRB = 1,05
− /8,6 donde A = 0,36576 km en pies. McMurray (ec.
(ecuación C.9)
(ecuación C.10)
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Relación de protección (cont.) IEEE C62.22­09 Anexo C
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Relación de protección (continuación)
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Manejo de energía de impulso de conmutación
Capacidades
Cuando el descargador está energizado, absorberá energía, lo que provocará un aumento de
temperatura. En condiciones normales de funcionamiento, existe un equilibrio entre el calor
generado en un pararrayos y el calor disipado por el pararrayos. Con tal equilibrio, se
mantiene una condición estable.
Durante condiciones de sobretensión (sobretensión de conmutación), el descargador
absorbe más energía. Si la temperatura del pararrayos es demasiado alta, el pararrayos
puede entrar en un estado de fuga térmica.
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Manejo de energía de impulso de conmutación
Capacidades
La descarga de energía conservadora que el descargador necesita manejar es:
=2
/
Dónde:
▫ DL = Longitud de la línea (km) = Se supone que es 300 km
▫ EA = Tensión de descarga de impulso de conmutación del descargador para IA
▫ ES = Sobretensión de conmutación potencial (kA):
ES = 2 ×
1 × (k1 es el valor típico según IEEE C62.22)
▫ IA = Corriente de impulso de conmutación
= (­)/
▫ V = velocidad de la luz = 300 km/ms
La capacidad de energía de impulso de conmutación real del descargador debe
exceder la descarga de energía esperada.
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Capacidad de alivio de presión del descargador
Es la clasificación de cortocircuito del pararrayos que no debe ser excedida por la
corriente de cortocircuito disponible del sistema en la ubicación del pararrayos.
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Modelado de rompedores para estudiar
Voltaje de recuperación transitorio (TRV)
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Voltaje de recuperación transitorio (TRV): una introducción
Por definición, TRV es la tensión que aparece en los terminales de un disyuntor después de que
se ha producido un evento de conmutación al interrumpir:
Corriente de falla,
Corriente inductiva,
Corriente capacitiva.
Representa la diferencia en el voltaje de respuesta del sistema de energía desde el lado de la
línea al lado de la carga del disyuntor.
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Voltaje de recuperación transitorio (TRV): una introducción
La preocupación:
Cuando el flujo de corriente se detiene (después de los primeros μs) la energía
La respuesta del sistema es un transitorio expresado como TRV.
Con fallas multifásicas, la interrupción secuencial de la corriente de falla conduce a
voltajes de recuperación del sistema de energía superiores a los nominales, lo que
conduce al reinicio del disyuntor y a la no interrupción del flujo de corriente.
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Voltaje de recuperación transitorio (TRV)
Ejemplo de comportamiento
En algunos casos la respuesta del sistema tiene un componente oscilatorio y de frecuencia
industrial. Un ejemplo es una falla del terminal trifásico a tierra en el disyuntor. Para este caso el:
El intervalo de tiempo inicial consiste en un voltaje transitorio con un eje de
Oscilación alrededor del voltaje de recuperación.
El segundo intervalo representa el voltaje de recuperación de la frecuencia eléctrica.
▫ (¿tenemos un terreno de un estudio existente que se pueda insertar aquí?)
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Voltaje de recuperación transitorio (TRV)
Análisis transitorio
Todos los transitorios tienen:
Una condición inicial que puede ser cero o un valor finito,
Un eje de oscilación que se convierte en el valor de estado estable real cuando el transitorio ha desaparecido,
Un valor máximo dependiendo del grado de amortiguación,
Una determinada frecuencia determinada por los valores de L y C.
Los componentes oscilatorios de TRV se pueden analizar utilizando circuitos RLC y aplicando
ecuaciones diferenciales.
Tres de los casos RLC tienen una solución diferencial homogénea común de segundo orden de
la forma:
y = Aer1x + Ber2x ; donde las raíces r1 y r2 se derivan de los componentes RLC del circuito y A y B
de las condiciones de contorno iniciales.
El cuarto caso utiliza una solución diferencial no homogénea de segundo orden utilizando tablas de
consulta y el método de coeficientes indeterminados para resolver la ecuación.
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Tensión de recuperación transitoria (TRV) – Factores de polos
Para un disyuntor que se abre bajo una falla, hay una interrupción secuencial de la corriente de falla. El primer
polo del disyuntor se libera y el sistema se desequilibra, lo que provoca que el voltaje de recuperación exceda
su valor normal de fase a tierra.
En condiciones de falla, se pueden presentar dos casos que afectan los niveles de voltaje de recuperación.
consideró:
Un sistema efectivamente puesto a tierra donde la relación de reactancia simétrica X0 a X1 es 3 o menos,
Un sistema sin conexión a tierra efectiva donde el neutro está aislado, tiene alta impedancia o está conectado
a tierra por resonancia.
Para los casos enumerados anteriormente, el TRV se basa en un componente de frecuencia industrial
determinado por el primer polo para borrar el factor (kpp) y un componente oscilatorio (o aperiódico) basado
en el factor de amplitud (kaf).
Los disyuntores pueden interrumpir niveles de falla nominales en o cerca de un factor de potencia unitario con
poco o ningún problema; sin embargo, con un factor de potencia cero en adelanto o en atraso, el TRV puede
imponer un gran desafío.
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Voltaje de recuperación transitorio (TRV)
Factores polares (continuación)
Para un circuito efectivamente puesto a tierra, el primer y segundo polo para despejar el factor es
derivado de componentes de secuencia y calculado como:
k
pp1
= 3 (X0 /X1 ) / (1 + 2 (X0 /X1 ))
k 0.5 / (2+(X0 /X1 )) / ((1 + (X0 /X1 ) + (X0 /X1 ) = (3 pp2
k
pp3
2
) 0,5
= 1 ya que el sistema ahora está equilibrado,
El factor de amplitud (kaf) es la relación entre el valor de voltaje máximo y el eje de
oscilación siendo ambos relativos al punto de partida.
k de = 1 + β donde β = (B – A) / A (ver gráfico a continuación).
▫ (reproduzca el gráfico de Peelo, página 25, figura 2.9)
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Voltaje de recuperación transitorio (TRV): factores de
polos (cont.)
Para un circuito sin conexión a tierra efectiva, el primer y segundo polo para despejar
El factor se deriva de componentes de secuencia positivos y negativos, pero no
secuencia cero y se calcula como:
k
k
k
pp1
= Vcb / Vaf
pp2
= │0,5 (Vb – Vc ) / Vaf │
pp3
= │0,5 (Vb – Vc ) / Vaf │
▫ (agregue una tabla de, por ejemplo, del primer polo para aclarar los factores, por ejemplo, un
disyuntor de 72kv)
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Modelado de rompedores de vacío para
Análisis transitorio:
• El modelado se realiza para imitar la vida real. Tiene que ser preciso
especialmente para el fin previsto. ¿Cómo podemos modelar un arco
en un disyuntor?
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Modelado de rompedores de vacío para
Análisis transitorio:
• Tres modelos básicos con variantes:
• Modelos de arco físico
• Modelos de caja negra
• Fórmulas y cálculos
• Las aplicaciones de los modelos fueron descritas en CIGRE, Trabajo
Grupo 13.01 “Aplicaciones prácticas de la física del arco en interruptores
automáticos. Estudio de métodos de cálculo y guía de aplicación; Electra
No.: 118, páginas: 64­79, 1988
• El informe de CIGRE muestra los métodos de modelado preferidos.
para:
• Desarrollo
• Pruebas
• Operación
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Directrices de modelado para arcos en
Rompedores
• Para el desarrollo y las pruebas, se utilizan los tres tipos de modelos de arco.
usado
• Para la operación se utilizan modelos tipo caja negra (BB): • Influencia de
la asimetría del arco y la corriente retardada cero • Pequeñas
corrientes inductivas • Fallas de
línea corta, incluido TRV • Las fórmulas
y los modelos de cálculo se utilizan para:
• Descripción de recuperación
dieléctrica • Pequeñas corrientes inductivas (junto
con BB) • Fallas de línea corta incluyendo TRV (junto con BB)
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Modelado de rompedores de vacío durante
Operaciones de Cierre y Apertura:
• Cuatro categorías de transitorios:
• Baja frecuencia
• Frente lento
• Frente rápido
• Frente muy rápido
• Baja frecuencia:
• Cierre: importante para la separación mecánica de los polos.
• Apertura: interrupción de alta corriente (estudios de capacidad
de interrupción)
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Modelado de rompedores de vacío durante
Operaciones de cierre y apertura
(Continuar)
• Transitorios de frente lentos:
• Clausura:
• Muy importante para la separación mecánica de los polos.
• Importante para estudios previos a las huelgas
• Apertura, importante sólo para:
• Estudios de capacidad de interrupción
• Pequeñas corrientes inductivas donde se dan las siguientes
preocupaciones:
• Corte actual
• Nuevos ataques y
• Interrupciones de corriente de alta frecuencia
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Modelado de rompedores de vacío durante
Operaciones de cierre y apertura
• Transitorios de frente rápidos:
(Continuar)
• Clausura:
• Importante para estudios previos a las huelgas
• Apertura, muy importante para:
• Característica de reencendido
• Interrupciones de corriente de alta frecuencia
• La apertura, respecto al corte de corriente, es importante sólo para pequeñas
corrientes inductivas.
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Modelado de rompedores de vacío durante
Operaciones de cierre y apertura
(Continuar)
• Transitorios frontales muy rápidos:
• Clausura:
• Muy importante para estudios previos a las huelgas.
• Apertura, muy importante para:
• Característica de reencendido
• Interrupciones de corriente de alta frecuencia
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Picado actual
• El disyuntor de vacío interrumpe la corriente antes de que se
alcance el cero, dependiendo de
• Material de contacto
• Nivel de corriente
• Forma de corriente
• El corte actual no es determinista
• Sobretensión proporcional a la corriente cortada y la impedancia
de sobretensión de la carga. Según Referencia [B1]
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Picado actual como se muestra en la referencia B1
C
l
Cortacircuitos
Cortacircuitos
Actual
Actual
Lado de carga
Tensión del
Voltaje
lado de carga
Voltaje a
través de BKR
Voltaje a
través de BKR
Fuente
voltaje
Voltaje
de fuente
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Picado actual
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Extinción de corriente de alta frecuencia
• El reencendido en el VCB aparecerá en forma de una corriente de alta
frecuencia superpuesta a la corriente de frecuencia industrial.
• Los disyuntores de vacío pueden apagar las altas frecuencias.
corrientes en el rango de varios cientos de A/μs cuando cruzan la corriente
cero.
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sesenta y cinco
Múltiples reinicios que generan voltaje
Escalada
• La rápida eliminación del reencendido añade más energía almacenada al
inductor.
• El nuevo TRV a través del interruptor será de mayor magnitud, lo que
provocará otro reencendido.
• Esto continuará hasta que la resistencia del espacio de contacto
pueda soportar el TRV. (Referencia B2)
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Modelo
XFMR 3W
52­FaseA
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52­FaseB
52 fases C
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Parámetros del modelo
• Se supone que el corte de corriente es 5A
• La apertura del disyuntor ocurre durante un cortocircuito de carga.
• La resistencia al espacio de contacto viene dada por la envolvente TRV de
IEEE C.37
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Resultados de EMTP: múltiples reencendidos
ka
ka
s
EM
VM
VM
s
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EM
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Simplificación – envolvente TRV
Sobre TRV
EN
Sobre TRV
EM
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Sin corte actual
Sobre TRV
EN
Sobre TRV
EM
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Adición de amortiguador RC
52­FaseA
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52­
FaseB
52 fases C
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Adición de amortiguador RC
Sobre TRV
EN
Sobre TRV
EM
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Conclusión: Cuando se
modifica la configuración del sistema, el voltaje de recuperación
transitorio (TRV) en el interruptor puede cambiar considerablemente
hasta quedar fuera de los límites aceptables. Para establecer el TRV
del interruptor de vacío en un sistema modificado, se podría utilizar el
Programa de Transitorios Electromagnéticos (EMTP) para modelar el
sistema y el interruptor de vacío y realizar los cálculos necesarios. El
modelado de disyuntores en vacío abordará los fenómenos de corte de
corriente según sea necesario. El corte de corriente podría introducir
transitorios de voltaje de alta frecuencia que causan que el TRV tenga
una alta tasa de aumento y podría sacarlo de los límites permitidos
establecidos por IEEE. Si es necesario, se pueden tomar acciones
correctivas para llevar el TRV del interruptor a la zona permitida según lo establec
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Voltaje de recuperación transitorio (TRV)
Caso especial (falla de línea corta)
Un caso especial es la falla de línea corta donde el disyuntor está estresado por el
diferencia entre TRV en el lado de línea y de carga.
…
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Estudio de caso – FCLD ­ Introducción
• En sistemas de distribución industrial de media tensión (MT)
Los requisitos pueden cambiar con el tiempo.
▫ Ej.: Un equipo está funcionando más de lo que fue diseñado
inicialmente. Si ocurriera una falla, existe la posibilidad de que:
TRV es mayor que el diseño del equipo.
Se produjo una falla en un equipo importante, lo que puede
resultar en apagones importantes.
• Independientemente del razonamiento, la corriente de cortocircuito debe ser
restringido a algo más manejable
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Introducción al FCLD (cont.)
• Como las corrientes de cortocircuito en los sistemas de MT son función de
Voltaje y reactancia inductiva. Una forma de limitar la falla es aumentar la
reactancia inductiva en el lugar de la falla.
▫ Una forma de hacerlo es utilizar un reactor limitador de corriente.
• Reactores limitadores de corriente:
▫ Limita la corriente y el voltaje de cortocircuito a un nivel adecuado para el
sistema eléctrico instalado.
▫ Se puede utilizar para permitir el funcionamiento continuo sin tener que abrir
el circuito.
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Enfoque de estudio y análisis
Importante estudiar el Transitorio de Conmutación y el Voltaje de
Recuperación Transitoria (TRV) de las características del equipo
eléctrico .
EMTP / ATPdraw es un programa útil para simular
estudios transitorios. En este caso lo utilizamos para estudiar las
características del reactor limitador de corriente y su efecto en el
sistema general.
Sin embargo,
EMTP no es tan fácil de usar como otros programas de sistemas de
energía. Necesidad de modelar reactores limitadores de
corriente como componentes individuales.
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Reactor limitador de corriente modelado en EMTP
Prefalla: SA1, SB1 y SC1 están
cerrados mientras que SA2,
SB2, SC2 están abiertos.
Fallo: SA1, SB1 y SC1 están
abiertos mientras que SA2,
SB2, SC2 están cerrados.
A medida que la corriente a través
del fusible (representado
como una resistencia) se
acerca al punto de corriente cero,
la corriente a través del
reactor (representado como un
inductor) aumenta, lo que reduce
el voltaje transitorio a través del
FCLD.
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Resultados
El voltaje transitorio a través del reactor limitador de corriente es mucho menor que el
voltaje transitorio a través de un fusible/disyuntor sin reactor limitador de
corriente.
Si se dimensiona adecuadamente, el reactor limitador de corriente puede:
Asegúrese de que el TRV esté dentro de las limitaciones del equipo.
Permitir un funcionamiento continuo sin tener que romper el
circuito debido a una falla.
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Protección contra rayos para A
Línea OH de Distribución
Caso de estudio
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Parte II:
Líneas aéreas de MT de distribución industrial
sometidas a la caída de rayos
• Esta sección analiza
Líneas de distribución OH sometidas a impactos de rayos
Descargas eléctricas causadas por golpes directos e inducidos.
voltajes
Posibles soluciones que se pueden implementar para
reducir los cortes causados por rayos
Economía, es decir, criticidad de la carga versus costo de
implementar estas soluciones.
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Caso de estudio
• Descripción del sistema:
a. Línea de distribución de 25kV ubicada en el norte de Alberta
alimentar cargas críticas de las instalaciones.
b. Alimentador pasando por terreno llano sin edificaciones.
y árboles en los alrededores.
C. Configuración de línea: Disposición horizontal sin cable blindado
y descargadores de sobretensiones para protección
contra rayos.
d. El sistema ha experimentado cortes debido a rayos
huelgas.
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Relámpagos
• Los relámpagos son causados por rayos directos o por voltajes
inducidos producidos por rayos en edificios, árboles, etc.
cercanos.
• Para nuestro alimentador de 25 kV ubicado en Fort McMuarry, se
estima que los arcos de descarga directa y los arcos inducidos
en el área de Fort McMuarry (según los métodos descritos en
IEEE STD 1410­2010) son alrededor de 68 arcos/100 km/año y 2
arcos/100 km/año. año
Suponiendo que todas las descargas disruptivas
, Total de faltas= 70
causen fallas/100 km/año.
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Opciones de mejora del sistema
(I) Blindaje: Extienda el poste y agregue el cable de
protección (II) Pararrayos: ¿Agregar pararrayos cada dos
polos?
(III) Reemplazar aisladores con BIL más alto (lo que también
ayuda para sistemas que no tienen neutral efectivamente puesto
a tierra)
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Cable blindado
i. La adición de cable blindado proporciona una de las mejores soluciones
para mitigar las interrupciones causadas por rayos directos.
ii. Usando un cable blindado con un ángulo de blindaje inferior a 30 grados y una estructura CFO
de 225 kV (tangente típica de 25 kV) y una resistencia a tierra de 10 ohmios, el número
de impactos directos que causan descargas disruptivas se puede reducir hasta un 80 %
(Figura 8, IEEE STD 1410­2010). ) III. Sin embargo,
o Es posible que no se cumpla la suposición de una resistencia a tierra de 10 ohmios.
preciso. La Figura 8 de IEEE STD 1410 puede usarse para evaluar la reducción en el
rendimiento del cable blindado debido a la resistencia a tierra.
o Flashovers traseros
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Descargadores de sobretensiones
i. El uso de pararrayos únicamente como protección contra golpes directos no es muy eficaz
desde el punto de vista económico.
ii. Sin embargo, los pararrayos demuestran ser muy eficaces para reducir la
Descargas eléctricas de voltaje inducidas, especialmente cuando se usan para proteger
postes con niveles de aislamiento más bajos.
III. Cuando se utilizan junto con un OHSW, los cables de tierra aéreos desvían la mayor parte de
la energía del rayo lejos de los conductores de fase y del equipo conectado, y los
pararrayos limitan los voltajes máximos de los aisladores y reducen las tasas de descargas
disruptivas de manera más efectiva que una conexión a tierra mejorada en cada
polo, por lo tanto, hacen El diseño OHSW depende menos del nivel de aislamiento y la conexión
a tierra.
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Resumen y conclusiones
• Del análisis anterior:
o Los rayos directos son la principal fuente de descargas eléctricas
según la vecindad de la línea y la configuración de la estructura.
o Agregar el cable blindado con un cable de tierra conectado a tierra en
cada polo proporciona la mejor protección posible contra las descargas
eléctricas de rayos. Sin embargo, para contrarrestar los efectos de las
descargas inducidas y las descargas de voltaje inducidas, se deben
tomar medidas adicionales.
o Se puede utilizar una cruceta más larga o un separador de
fibra de vidrio para el cable de bajada para proporcionar más
aislamiento entre la fase central y el cable de bajada a tierra.
o Se puede considerar el uso de aisladores de tensión.
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Resumen y conclusión (continuación)
o En los casos en que la resistencia de la zapata en el poste sea
No es posible mejorar el aislamiento de la estructura, se recomienda el
uso de pararrayos.
o Estructuras de postes con equipos eléctricos como cables.
Las terminaciones, transformadores, cortacircuitos fusibles y seccionadores
deberán estar protegidos con descargadores de sobretensiones.
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Una breve discusión sobre sobretensión de
frente lento (SFO), sobretensión de
frente rápido (FFO) y transitorio muy rápido
Sobretensiones (VFTO) y Ferro
Resonancia
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Normas, libros y claves.
Referencias
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Referencias de estándares
Norma IEEE C62.82.1­2010; Estándar para la coordinación del aislamiento—
Definiciones, principios y reglas
Borrador estándar IEEE PC62.82.2™/D3 Borrador de guía para la aplicación de
Coordinación de aislamiento
IEEE Std 1313.2™­1999 (Reaff 2005), Guía IEEE para la aplicación de coordinación de
aislamiento
ANSI C84.1­2006, Norma Nacional Estadounidense para Energía Eléctrica
Sistemas y equipos: clasificaciones de voltaje (60 Hz)
IEEE Std C62.11­2012: Estándares para supresores de sobretensiones de óxido metálico para CA
Circuitos (>1kV)
IEEE Std C62.22­2009 (reafirmada en 2003): Guía IEEE para la aplicación de supresores de
sobretensiones de óxido metálico para sistemas de corriente alterna
IEEE Std C62.22.1 (reafirmada en 2003): Guía IEEE para la conexión de supresores de
sobretensiones para proteger sistemas de cables de energía eléctrica aislados y blindados
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Referencias de estándares
Norma IEEE C62.82.1­2010; Estándar para la coordinación del aislamiento—
Definiciones, principios y reglas
Borrador estándar IEEE PC62.82.2™/D3 Borrador de guía para la aplicación de
Coordinación de aislamiento
IEEE Std 1313.2™­1999 (Reaff 2005), Guía IEEE para la aplicación de coordinación de
aislamiento
ANSI C84.1­2006, Norma Nacional Estadounidense para Energía Eléctrica
Sistemas y equipos: clasificaciones de voltaje (60 Hz)
IEEE Std C62.11­2012: Estándares para supresores de sobretensiones de óxido metálico para CA
Circuitos (>1kV)
IEEE Std C62.22­2009 (reafirmada en 2003): Guía IEEE para la aplicación de supresores de
sobretensiones de óxido metálico para sistemas de corriente alterna
IEEE Std C62.22.1 (reafirmada en 2003): Guía IEEE para la conexión de supresores de
sobretensiones para proteger sistemas de cables de energía eléctrica aislados y blindados
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Referencias de estándares
Guía de aplicación IEEE para voltaje de recuperación transitorio para
disyuntores de alto voltaje de CA, estándar IEEE C37.011
Estructura de clasificación estándar IEEE para disyuntores de alto voltaje de CA,
Estándar IEEE. C37.04b
Disyuntores de alto voltaje de CA IEEE clasificados según una corriente simétrica:
clasificaciones preferidas y capacidades requeridas relacionadas, estándar IEEE C37.06
Norma IEEE C37.010­1999 (R2005); Guía de aplicación IEEE para disyuntores de CA de
alto voltaje clasificados sobre una base de corriente simétrica
IEEE Red BookTM IEEE Std 142
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Referencias de estándares IEC y CIGRE
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