Cap 17 Descargadores De Sobretensiones (pararrayos).pdf

protección

CAPÍTULO 17

(16.36)

(16.37)

Descargadores de sobretensiones (Pararrayos)

:ransfor~ R)-veces alterna. relación de satutema de . , :quenna m 16.27 al' RjX,

:!

,I

!, ,,

,

"

INTRODUCCION Los pararrayos represen tan hoy en día el dispositivo más utilizado para combatir las sobretensiones. Su nombre es de por sí elocuente (Pararrayos: Lightning Arresters); comenzaron a utilizarse en los sistemas comerciales de transmisión de energía para enviar a tierra las sobretensiones atmosféricas. Posteriormente, con el surgimiento de tensiones de operación cada vez más elevadas, se les comenzó a emplear para mandar a tierra también las sobretensiones internas, de allí que el nombre de descargadores de sobretensiones (surge arresters) sea más adecuado. En la literatura en castellano sobre la materia existe una gran cantidad de nombres para el dispositivo en cuestión; por ejemplo: apanarrayos, derivadores de sobretensiones (surge diverters), cebadores de sobretensiones, ete., y los anteriormente citados. En vista de que la función de este dispositivo en el sistema es derivar o descargar en forma rápida e inofensiva a tierra aquellas sobretensiones que ponen en peligro al aislamiento del sistema, el nombre descargador de sobre;;\ tensiones se considera como el más acertado. Sin embargo, en el presente texto se hará uso tanto de la denominación pararrayos como de descargador de sobretensiones.

17.1

RESENA HISTÓRICA

Las primcras líneas de transmisión, que entraron en operación comercial a comienzos del siglo, alcanzaron rápidamente extensiones considerables (más de 100 km). El rayo, como es de suponer, se convirtió rápidamente en un flagelo de las mismas. En un principio no se tenían mayores conocimientos sobre este tipo de descarga, y tampoco existían los instrumentos y dispositivos 485

,d..,...,..,.,..,

486

Descargadores

de sobrete1lSiolles

adecuados para su estudio y análisis. Casualmentc, también a comicnzos del presente siglo, se desarrolló el osciloscopio de rayos catódicos. Estc valiosÍsimo instrumento permitió el inicio de un ~istemático estudio del rayo como descarga atmosférica y sus efectos sobre las líneas de transmisión de la época. En Alemania, Suecia, Estados Unidos y en otros países se procedió a la observación y registro del fenómeno no solamente en las mismas líneas de transmisión, sino también en estructuras expuestas al mismo o específicamente construidas para tales fines. En primer lugar interesaba la forma de onda del rayo, y luego se procedió a medir y registrar su intensidad de co. . rriente. Destacada actuación en este campo obtuvo el profesor Karl Berger,~: director de la Estación Meteorológica del Mon te San Salvatore, en Suiza. En ~ esta estación se realizaron investigaciones sobre tan interesante fenómeno. Los conocimientos actuales sobre las diferentes descargas atmosféricas se deben en realidad a Berger y a Schonland, este último de nacionalidad estadounidense. Así pues, el primer dispositivo utilizado para enviar a tierra las descargas atmosféricas en las líneas de transmisión fue un simple explosor de puntas (rod gap), el cual se ilustra en la figura 1 7.1 en su forma más elemental y adolece de las siguientes desven tajas: a) La tensión de disparo (figura 17.2) depende laridad.

en alw grado de la po-

b) Retraso de funcionamiento, dado por el tiempo de formación de cresta de la onda inciden te. Para funcionar en 1 J.ls la tensión de dis-

u

sobretensión

, I I

Ud

--

" ""

Lí nea

td

-

a, pua",

Figura 17.1 Representación esquemática de un explosor de puntas.

e) E d(

El d el cual se men pcrn Las . ., SIClOn y está enfo A comie explosor por el cc timizacié

17.2

E

Un expll tamientc se encue . . Clones 11 limi tada camIno. Est

figura 1 ......

U(t)

lXPIO'O'

p;; di

resisten<

\

....

ExPlosores

Figura 17.2 Ilustración de la tensión de disparo de un explosor de puntas. Cuando la sobretensión alcanza la característica de choque del ex'plosor, éste envía a tierra la corriente asociada a la misma.

etensiones 487

ExPlosores

rlZOS del valiosÍ-

paro debe ser 1.5 a 3 veces superior a la tensión 50% de choque disruptiva. e) El arco no se exTingue por sí mismo, debido a la namraleza capaciriva del dispositivo.

'o como 1 epoca.

~dió a la 'neas de >ecífica:>rma de d de coBerger, lÍza. En ~ lómeno. as se deestadoulescargas ::'puntas y adole-

El disparo del explosor implica, además, un corto circuito en el sistema, el cual se ve de inmediato alimentado por la intensidad de corriente de régimen permanente. Las ventajas fundamentales de este dispositivo son: bajo costo de adquisición y bajo valor de la tensión residual. No obstante, cabe señalar que se esrá enfocando la evolución histórica de los descatgadores de sobrerensiones. A comienzos de siglo no se conocían otros dispositivos. Las ventajas del explosor de puntas no son determinantes, pues no existía otra alternativa; por el conrrario, sus desvenrajas morivaron el esmdio para el desarrollo y optimización de los explosores.

1: t, ,' 1I

17.2

EXPLOSORES

le la polCión de n de dis-

Un explosor sencillo, como el ilustrado en la figura 17.1, denota un comportamiento capacitivo. Cuando dispara, la intensidad de corriente de derivación se encuentra entonces desfasada 90° respecto a la tensión, dándose las condiciones ideales para un reencendido del arco. La corriente, además, no se ve limitada en su derivación a tierra, y la corriente de régimen sigue el mismo camIno. Esto motivó que el explosor se viera rápidamente provisto de una resistencia óhmica en su extremo conectado a tierra, según se ilustra en la figura 17.3. Lo que se obtenía con esta resistencia era:

"

,

.~

-

,

u (t) línea

"el choque t

explosor

--

1

.a tensión le puntas. nza la caexplosor, ~ asociada

-

,,,',",,',

Figura 17.3 Representación esquemática de un explosor de pun tas provisto de una resistencia óhmica. !

.;.d'..;¡,. -,,'~'.J

'..

J

u~,~~.,

t

i 488

lJl'scmgado/"l'.\

de sob/"l'll'IIsio//fS

ExjJ{o.lOrfs

1. Conferirle al dispositivo de protección un comportéuniento óhmicocapacitivo de manera que el desfasaje existente entre la corriente a tierra y la tensión no llegara a 90°. De esta manera se trataba de combatir el reencendido dd arco. 2. La resistencia

limitaba también

a la corriente

en su trayecto

dos

Es C4 en rel

Tensión

ú

a tierra. Es el valo

El dispositivo, por consiguiente, demostró rápidamente un mejor componamiento, aunque no del todo satisfactorio. Así, mu')' pronto se advirtió que la resistencia no debería ser lineal, sino más bien denotar un comportamiento autoválvula; es decir, que su valor óhmico cambiase con el valor de la ~, tensión imperante entre el conductor y el dispositivo de protección. Este tipo de resistencia, denominado en la literatura anglosajona voltage dependend resistor, se logró u tilizando discos elaborados a base de carburo de silicio. Su comportamiento (figura 17.4) difiere sustancialmente del autoválvula ideal, pero en realidad represen ta una inncgable mejoría en la opcracion del dispositivo. Más adelante se verá que casualmcnte la incorporación de esta resistencia al explosor dio cabid,!- al desarrollo de los modernos pararrayos au toválvula.

de ch oqu plosor dd Tensión r Es el val4 conduce: Corriente Por COlTi. o in tensi, derivació

Lo que se perseguía con la nueva resistencia no lineal era que al actuar (disparar) el explosor la tensión residual en el dispositivo fuese limitada a un valor bastante bajo, pero al mismo tiempo también bastante alto, de manera que el explosor pudiera extinguir de nuevo (romper el arco) an tes de que se restableciera la tensión piCO de operacilm. El comportamiento autoválvula será abordado de nuevo posteriormente, pues representa la esencia del funcionamiento de los pararrayos modernos.

C o rricn

t

(

Es la COI través de descarga Exi tes . para .

R(n)

1111 prescl

ideill-

-

real

Figura 1 explosor menor se de la on dispositi blar de t en relaCl ra exclu

Figura 17.4 Comparación de una resistencia óhmic a no lineal real con una ideal. Esta última denota autoválvula perfecto.

el comp¿rtamiento

tiempo

.

(

'reten s io /les

óhmicoTiente a de com~

tierra. 01' comadvinió

mportalar de la m. Es te , depen~silicio. :wálvula ción del de esta

"arrayos J actuar da a un manera ~ que se oválvula l funcio-

489

ExjJlosores

Es conveniente establecer dos en relación con pararrayos: Tensión de disparo (5parlwvcr

ahora la definición

de los términos

más usa-

voltaje)

Es el valor máximo de la tensión alterna (power-frequency sparkover voltage), de choque (impulse sparkover voltage) o continua (DC-SQV) a la cual el explosor del descargador dispara. Tensión residual (Discharge voltage) Es el valor máximo de la tensión registrada en el descargador conduce a tierra la intensidad'de corriente de derivación.

cuando

éste

I¡ ,I

I

Corriente de derivación

(Dischmge

current)

Por corriente de derivación se entiende el valor pico (máximo) de la corriente o in tensidad de choque que circula por el descargador durante el proceso de derivación a tierra de la sobre tensión que motivó su disparo. Corriente de fuga (Follow jJowcr current) Es la corriente procedente de la fuente, que a frecuencia de régimen circula a través del pararrayos, en dirección a tierra, durante y después del proceso de descarga. Existen can tidades de tém1inos y ddiniciones que, si bien son importanles' para el manejo y Irabajo con descargadores de sobrelensiones, no resuhan imprescindibles en eSle enfoque y análisis. El lccLor inleresado encomrará am-

U(kV)

\;.

,0 Ud

/ 10 I

Figura 17.5 Característica de disparo de un explosor. Puede observarse que mientras menor sea el tiempo de formación de cresta de la onda incidente, más rápido actuará e!. dispositivo. Por esta razón no se puede hablar de un nivel de protección determinado, en relación con explores, salvo que..se refiera exclusivamente a una onda incidente de tiemp o conocido.

/0

Ud..

t(ns) ... TJ

T, t,

tA

1

I

490

I I J 1 1

Descargadores de sobretensiones pu nta

esfera

\

I

U(kV)

ExPlosores

cuando el ] la tensión r

I

I

I

de régimen se ha conv tcnsi ón en esté provis rriente. Al

tico, con 1<

" Figura 17.6 Por debajo de tiempos de formación de cresta iguales a 50 ns (raros en la práctica), el explosor de esferas actúa primero que el de puntas i. La fusión de ambos en uno optimiza este comportamiento.

plia infomación año 1981.

en las referencias,

~

-+--- --I I I

50

t(ns)

200

particularmente

en la cie IEEE C62, del

Sobre el tiempo de disparo es pertinente hacer las siguientes observaciones: el descargador debe actuar rápidamente, sin retraso, de manera que la sobretensión sea enviada a tierra de inmediato. Los explosores, sin embargo, denotan un tiempo inherente de disparo. Mientras mayor pendiente propicia la sobre tensión incidente, más rápido funcionarán (figura 17.5). Los explosores a base de puntas denotan, además, un comportamiento diferente al de los explosores a base de esferas (figura 17.6). Por esta razón muy pronto se trató de fusionar, en un solo elemento, al explosor de esferas con el de puntas, de manera de conferirle al descargador un comportamiento más franco en cuanto al tiemp o de disparo se refiere. En la figura 17.7 se ilustra, en fonna comparativa, la característica óhmico-lineal de un pararrayos antiguo, de la primera generación, con la de un pararrayos autoválvula. Es interesante resaltar que en el primer instante,

U(kV) Figura 17.7 Comparación gráfica de un descargador con resistencia óhmica lineal contra uno con resistencia óhmica no lineal. La corriente i I representa a la corriente de descarga de la línea de transmisión, mientras que Ul Y u~ son las respectivas tensiones residuales. La tensión U2 corresponde al. régimen perman'ente, una vez que la corriente de fuga circula a tierra a través del descargador. Puede observarse que en am bos casos el descargador con resistencia no lineal conduce a valores más bajos y adecuados para el sistema.

u!

u1

.

Los ( transmisió

ocupan lo Además d corto circ tica! y an~ ambos ser tes solicit la figura su sencill( lamiento, mar cuer

Figura 17 de un pr coordina, conduce por el ct transfoIT da de é. línea (Z total en que regr cual cor En vist: corto ci de amp

.'

de ellas donde 1

i2

.

i(kA) 12

1,

tal, pUl tre la~ transfo CIa, a u

",

tensiones

491

ExPlosores a

~.

~1 ,

I

,i

--(ns)

-

¡ ! ¡

;2, del

~!

)servaque la bargo, 'oplcla plosode los ~ trató

.,

¡i

cuando el pararrayos manda a tierra la sobretensión, en el mismo se registra la tensión residual. Una vez finaliz:ado este proceso, la intensidad de corriente de régimen, que tam bién es enviada a tierra a través del pararrayos, y a la cual se ha convenido en llamar corriente de fuga, también provoca una caída de tensión en el pararrayos. Es conveniente, en consecuencia, que el pararrayos esté provisto de un mecanismo o dispositivo que le permita eliminar esta corriente. Algunos pararrayos nlodernos funcionan a base del soplado magnético, con lo cual cumplen satisfactoriamente con este requisito. Los explosores fueron desplazados paulatinamente de los sistemas de transmisión de energía como protectores primarios. Hoy en día su sitio lo ocupan los pararrayos au toválvula, de los que se hará mención más adelante. Además de las desventajas cÜadas anteriormente, los explosores provocan un corto circuito al funcionar, el cual da origen a ondas de choque de frente vertical y amplitud igual al voltaje de descarga, las que entonces se propagan en ambos sentidos, exponiendo innecesariamente al aislamiento próximo a fuertes solicitaciones dieléctricas. Este interesante comportamiento, ilustrado en la figura 17.8, ha limitado el uso y aplicación deestos dispositivos. Debido a su sencillez y bajo costO, se les utiliza en la denominada coordinación del aislamiento, como último recurso, motivo por el cual también se les suele llamar cuernos de coordinación. El lector ya habrá observado la presencia de

¡

¡I

u

I '1

¡

explosor Z2

~

tas, de cuanrística 1la de tan te,

por el cual continúa su trayecto hacia el ,hansformador. En vista de que la impedancia de éste es mucho mayor que la de la Z 1)' tiene lugar reflexión línea (Z2 total en los bornes del mismo. La tensión

2,

I I I

Z,

I: I I I I I I I

z.

>>

, J

Figura 17.8 Comportamien to desven tajoso de un protector de cuernos (explosor de coordinación). La onda incidente U no conduce al explosor al disparo, motivo

:=.f(j)

:) lineal

kA)

----

que regresa al explosor es en tonces 2U, la cual conlleva a que el dispositivo dispare. En vista de que el disparo ocasiona un corto circuito, se desplazan ondas iguales, de amplitud 2U, en ambos sentidos. Una de ellas llega de nuevo al transformador, donde tiene lugar una nueva reflexión total, pues su desproporción imperante entre las impedancias se mantiene. El transformador se expone, en consecuen-

cia, a una tensión total de 4U.

~'\z

u,~ J

2, 2U í 4U

2, Ur J

492

Deswrgadores de so{¡retel1siones

Desc;argado

estos cuernos en los bushings de los transformadores, columnas de soporte de interruptores, etc. Su tarea consiste entonces en enviar a tierra, con las desventajas citadas, aquellas sobretensiones que por una u otra razón lograron eludir al descargador o pararrayos. El comportamiento errático de estos últimos será abordado más adelante. De esta manera se han analizado brevemente, pero en forma concisa. estos sencillos dispositivos de protección contra sobretensiones. Finalmente, cabe señalar que la tensión de disparo se ajusta variando la' distancia interelectródica (figura 17.9).

Esta elevada tensión no se hubiera obtenido de no emplazar al explosor

'.

de coordinación. Este sencillo pero ilustrativo ejemplo muestra el peligro que acarrea el uso de explosores de este tipo como protección primaria. Por esta razón se les utiliza como último recurso y se les emplaza en paralelo con los bushings de equipos costosos, tales como transformadores de potencia, corriente, reactores, ctc. De la figura 17.5 se puede deducir lo que sucede con la onda incidente, una vez que ha sufrido reflexión total en los bornes del transformador. La tensión 2U sí conduce al disparo del explosor, pudiendo ser cualquiera de las sobretensiones señaladas en la misma. En la segunda ilustración de la figura 17.8 se ha sustituido al transformador de potencia por un interruptor abierto, el cual indica la discrepancia predominante entre ambas impedancias. Este enfoque, en consecuencia, tam-

U(kV)

u

Ud

límite del componam iento unívoco

= Ha) bién es denote l

tl ¡

17.3

f1 a(cm)

a Figura 1i.9 Dependencia de la tensión de disparo de un explosor de puntas en función de la separación interelectródica. Aumentando a ésta (a) se logra incremen tar la tensión a la tensión de disparo ud' hasta que se llega a un codo de saturación parecido al de los transformadores con núcleo magnético.

I

Este tip tos que lugar se ción da ., tccclOn

El vanaClo mente t el contr bruscos

tensiones

;j ~ ¡

,op arte con las

493

Descargador catódico línea \

1 lograle estos .i

:Isa~ esImente, intcre-

~

j

explosor combinado

!

ti ;1 :J

í

'plosor ~o quc 'or esta con los

.,

~ )

¡

discos de carburo de silicio

1

:Ia, co-

idente, jor. La a de las

~

'ansfor-

I

epanCla ia, tam-

I

tiA n \ !¡!I ~

\ 1/!\¡v//,-4I/i

resistencia de puesta a tierra

t

! ~ j

~

.~ ~

Figura 17,10 Esquema básico de un pararrayos catódico. No se ilustra el envase de porcelana ni t:J.mpoco una eventual regulación exterior de potencial.

'j J 1 1 .1

, 4

1

bién es válido para un in terruptor denote una elevada impedancia Z2'

" :17.3

DESCARGADOR

o reactor,

o cualquier

otro eqmpo quc

, CA TODICO

J J

I I

I

I I

! jI

¡ ¡ i j

,1 :d

Este tipo de pararrayos, de origen alemán, posee la totalidad de los elementos que se observan en los pararrayos modernos (figura 17.10). En primer lugar se observa el explosor de disparo, el cual dctelmina al nivel de protección dado por el descargador. Más adelante se verá que este nivel de prolección guarda cierta relaci[m con el tratamiento del neUtro (capítUlo 14). El explosor consta de electrodos divididos (figura 17.6). En caso de variaciones gradualrs y lentas de la tensión de sC1Ticio, actúan simultáneamel1Ie todas las panes de su superficie esférica, como salidas de chispa. Si, por el contrario, se manifiesta una sobre tensión u onda viajera, con incrementos bruscos como los frecuentemente obscn'ados ('n la práctica, la tensión, en la

I

I

494

DeJCmgadores de sobretel!Sioncs

Dcscmgado

parte exterior del electrodo, se encuentra retrasada con relación a la interior, de forma que este electrodo, con sus cantos vivos, actúa como si fuese un descargador de puntas, facilitando con ello la descarga a tierra. Los electrodos divididos se encuentran conectados entre sí a través de una resistencia de elevado valor óhmico. En seguida del explosor de disparo se ubica una resistencia a base de carburo de silicio. Generalmente esta resistencia está conformada por discos de igual diámetro, emplazados uno arriba de otro, o distribuidos helicoidalmente, de manera que pueda lograrse un dispositivo de protección más pequeño y compacto. El número de los discos depende de la tensión, y el" diámetro de los mismos de la intensidad de corriente máxima que tiene que ser enviada a tierra. Los discos a base de carburo de silicio (material semiconduclor) le confieren a este pararrayos un comportamiento autoválvula, el cual será analizado detenidamente más adelante. Las pequeñas distancias disruptivas, al igual que la forma de los electrodos del explosor múltiple, comparan al descargador catÓdico con el valor pd del punto de Stoletow (capítulo 3). La tensión a la cual se extingue el arco se encuentra aproximadamente a la altura de la caída catódica de la descarga, lo que da origen a su nombre. Este pararrayos o descargador se encuentra en desuso y ha sido, al igual que los explosores, dos.

desplazado

por dispositivos

de protecciÓn! más sofistica-

,

17.4

DESCARGADOR DE EXPULSION

Estos descargadores o pararrayos de expulsión son muy usados en Venezuela en sistemas de distribución de energía (hasta 34.5 kV). Las figuras 17.11 Y 17.12 ilustran estos elementos en la forma que se les suele instala): en los referidos sistemas de distribución. El explosor de disparo está conformado por el cabezal del descargador y el propio conductor activo. Este explosor se encuentra en serie con otro, pero dentro de un tu'bo de fibra de vidrio (explosor interno), en cuyo interior tiene lugar la descarga eléctrica. La alta temperatura del arco produce una corriente gaseosa turbulenta, la cual procede de la descomposición superficial de la fibra. En el interior del tubo, por consiguiente, ocurre una variación brusca de la presiÓn; ésta trata de expulsar violentamente al gas fuera del tubo por el único orificio disponible para tales fines. Así, el arco es desgarrado, al.mismo tiempo que se interrumpe la descarga. La construcciÓn de los descargadores deexpulsitJl1, llamados también de tubos, debido a su forma, es bastan tI:' sencilla, como puede apreciarse en la figura 17.11. Su bajo precio y peso reducido, hacen ideal su uso para proteger líneas aéreas fuera de las estaciones. En Estados Unidos suelen instalarse en los puntos

de línea particularmente

peligrosos,

en los postes metálicos

in ter-

./

?tensiones

495

Descargador de expulsión

nTenor, lese un electró~ :ncia de

--

-

--

- --

---------

t

material

~

a

al"dsivo

- f ----base de r discos icoida1-

------caperuza metál ica

más pe'n, y el ::ne que i1 semiivuJa, el

electrodo

interim

tUbo de resina sintética

eJectro'aJor pd arco se

elecHodo

I ,

-

,

opuesto

arga, 10 Figura 17.11 Representación simplificada de un pararrayos de expulsión. El material abrasivo wbre el conductor tiene por objeto evitar daños pennanentes sobre el mismo, y formar, junto con la caperuza metálica, al explosor de disparo.

al iguaJ )fis tica-

,,=.U

~/"

lezueJa

)-

explosorexterno i,

7.11 Y

pieza rje sujeción

, referi-

, por eJ se en:pJosor )eratu:: de la conSIar VIOa tales Ja des-

,ién de ~ en la

olégeT irse en

s inter-

tubo de resina sintética '1,

electrodo

'

,, ,,

opuesto escape de los gases

Figura 17.12 ["lodo de emplazar un pararrayos de tubos a un conductor eléctrico o cualquier otro elemento que se desee proteger contra sobretensiones. El espacio interelectródico a detemÚna la tensión de disparo' y al mismo tiempo Úsla al dispositi\'o en condiciones normales de servicio.

un-

----

, I I I

496

D(,5cmgadore5 de sobrete/tsio/tes

calados sueltos.

entre los de madera,

e incluso e/1 algunos aisladores

individuales

DescargadOJ

y

guarda. L se logra ( ductores dis tribuci Otro bles. En «

La llama que causa el disparo de estos pararrayos demanda un~ instalaciÓn elevada de los mismos. Su tensiÓn residual es muy pequei1a, pues no hay resistencias intercaladas en el c)rcuito de derivaCión a tierra. Dicha tensiÓn es, aden1<Ís, independiente de la intensidad de corriente de choque que se desea enviar a tierra. Si la pendiente de la tensión transitoria resulta muy grande, después de haber interrumpido un corto circuito, es factible que ocurra un reencendjdo del arco. Según algunos autores, la frecuencia transitoria no de- . bería sobrepasar los 1000 Hz en sistemas protegidos con este tipo de para-'~ rrayos. Esto limita su uso sólo en redes de cierta magnitud. . Su bajo poder de extinciÓn, de por SI dependiente de la intensidad de corriente de derivación, no lo recomienda como fuerte competidor de los pararrayos autoválvula. En Europa se le utiliza se'Jluen redes muy pequeñas u aisladas, como por ejemplo en Francia. En otros países se ha descontinuado su fabricacic'>Il. .

.,

SlOn con mcremcn energía (J Ha y eC9r

17.5

Una de 1<1 exceptua un corto Lai

Entre las desventajas principales de este tipo de pararrayos resaltan las siguientes, las cuales contrastan con su sencillez y bajo costo de adquisición: 1. La extinciÓn del arco eléctrico depende de la intensidad de corriente, es decir, el arco Se extingue sólo a partir de un determinado valor de la misma. Al aumen tar la intensidad de corriente, el proceso de extinÓÓn se acentúa, pero a muy altas intensidades de corriente la energia del arco eléctrico puede destruir fácilmente al descargador. Se~rún algunos autores, la relación entre el valor máximo y el valor mínimo de la intensidad de corriente debiera ser 1: 10. El valor máximo está dacio por el diámetro interno del tubo, el cual difícilmente supera los 10 kA. En redes interconectadas, o densamente maIladas, la intensidad de corriente de falla a tierra o corto circuito, se~r{lJ1el tratamiento del neutro, excede fácilmente a los la kA. Esto representa una fuerte limitacihn en la aplicación de este tipÓ de pararrayos. 2. Cada disparo implica un corto circuito en la red. La corrien te de derivación, de carácter reactivo (capacitiv~l), pasa por cero cuando la tensión denota valor máximo, 10 cual facilita el reencendido del arco. 3. La ubicación del descargador de tubos o de expulsión no puede ser arbitraria, debido al peligro de retroencendido que la frecuencia transitoria trae consigo. Para que esta frecuencia no exceda ciertos valores, la longitud de las llneas debería ser apreciable, lo cual contrasta por otro lado con las extensiones habituales de los sistemas de distribucihn. En Venezuc1a se han obtenido buenos resultados con pararrayos de expulsión en tramos de líneas de distribuci(')n aérea, no provistos de hilos de

D]

dor,

debí

ningún d factorian El t

se ongmí El 1 su rgidas cficien le comport En buible a los elem de porce figura 1 ~ Exploso Este eXI rarr ayos u nidad e "

"~.

!j

,íJ #1

.

/ La depende ajusta p: sistema, Ca

nos, de

" j i j

~tensiones

Descargador

ualcs y instala-

d

no hay sión es, e desea

:f

J! ~

:,.; ,

,e,

grande, urra un L no de,e para-

idad de de los uenas o tinuado

;(

,:f

:'1

...r~

,

~

J .~ .~

de este senci-

17.5

,)

Una de las principales desventajas de los descargadores ,conocidos hasta ahora, exceptuando al descargador catódico, residía en que el disparo conllevaba a un corto circuito en el sistema.

DESCARGADOR

AUTOV ÁLVULA

i ¡

I

,

\

) '1 ;Í

~ \ ¡ ¡ ¡

. ,¡ .~

de deri) la tenrco.

La intensidad de corriente de régimen alimentaba entonces al descargador, debido a su baja impedancia y condición de corto circuito, y no se tenía ningún dispositivo que permitiera desgarrar al arco eléctrico y despejar satisfactoriamente la corriente de derivaciÓn y la misma corriente de fuga. El tiempo de disp aro resultaba ser, además, considerable, ya que el arco se originaba en un campo relativametne no homogéneo. El resultado de las mejoras del pararrayos catódico y las innovaciones surgidas en los años sesenta permitieron el desarrollo de un pararrayos más eficiente y más confiablc, al cual se le ha denominado autoválvula, debido al comportamiento característico de su resistencia no lineal. En la figura 17.13 se ilustra un descargador del tipo autoválvula, no atribuible a un fabricante determinado, pues simplemente se han representado los elementos más relevantes contenidos en el mi:.;mo. El envase o recipiente de porcelana que da albergue a todos los elementos no ha sido ilustrado en la figura 17.13. El descargador está constituido de arriba hacia abajo por:

1

I

Explosor

de disparo

j I

ede ser

1

"

¡¡

~

; de exilos de

energía (hasta 69 kV en Venezuela) ha o bligado la sustitución llo y económico pararrayos por el del tipo au toválvula.

j

c: supc-

ia tranos valoIntrasta :: distri-

. Otra aplicación práctica es la protección de las copas terminales de cables. En efecto, en el punto de enlace o empate de líneas aéreas de transmisión con cables su bterráneos se pueden instalar pararrayos de expulsión. El incremento con tinuo de los niveles de transmisión a nivel de distribución de

'1 I

rriente, falor de de exla ener-

¡dad de nto del 1erte li-

gU~lrda. Ubicclndolos convenien temente a lo largo de la extensión de la línea se logra derivar a tierra cualquier sobretensión que tenga lugar entre los conductores activos y tierra. Esta aplicación se ha generalizado en sistemas de distribución en zonas rurales.

~

1tan las isición:

. Sq.,TÚ n nínimo náximo

497

autoválvula

¡ oí

j~ 4 Y

Este explosor tiene dos finalidades: determinar la tensión de disparo del paran ayos y el nivel de protección dado por el misl11C1,así COl110 aislar a la unidad en condiciones de régimen permanente. La tensión de disparo, y por consiguiente también el nivel de protección, dependerán de la distancia o separación interelectródica del explosor. Esta se ajusta para una onda determinada y en función del tratamienw del neutro del sistema, como se verá posteriormente. Cabe señalar que este explosor no es necesario en los pararrayos modernos, de allí el nombre anglosajón de Gapless arresters.

,"

o.

,,'.....

¡

i.i

.1 I1

j ,1

! ¡

,

~.~.

,

'-.

'>c'---..

,

¡

J

I

f

~

i

f.

I

I

I i 498

/)escmgador

Descargadores de sobretensiones I

,II

I I I I

u (t) línea u(kV)

a

a(cm) -.

[

Debi corriente

'f

antes de "

~--

-~

.

-1mm

1

anillo de regulación

~

Resistenc:

explosor de placas múltiples

I I

discos de mica I

I I

resistencia no lineal

I

u(kV)

~ :1

i(kA)

r1 N..r

Este expl gu nos fat Su tarea e al arco di El e; cuales SOl láminas d 1 mm de '

I

:

--;~ t

Explosor,

/

,w1

,..".1

Esta resi óxido de portamie fines, dif por el cu Por finalidau ( tensié>n alto. Sir de allí el El dad de es tará d del dese niéndos resultan

~'V //1

Resiste; !

resistencia de puesta a tierra

Figura 17.1'3 Representación simplificada de un descargador o pararrayos au toválvula. N o se ilustra el recipiente de porcelana.

-'''-~--..

_.__..

Este de porce1a Un ele v ciales d conect< decuad tos pro vera en

?tensiones

499

Descargador alltoválVtlla

Explosor de placas mÚltiples Este explosor no es representativo de todos los descargadores, pues sólo al:¡;unos 'fabricantes lo incluyen en la construcciÓn en serie de, estas unidades. Su tarea es la de homogeneizar el campo eléctrico y al mismo tiempo refrigerar al arco eléctrico. El explosor, por consiguiente, está constituido por láminas de cobre, las cuales son también excc1entes conductoras térmicas, separadas entre sí por láminas de un material aislante (por lo general mica) de aproximadamente 1 mm de espesor. Debido a la conexiÓn en serie de estas láminas respecto al explosor, la corriente tiene inevitablemente que pasar por eIJas en su trayecto a tierra, antes de alcanzar a las resistencias no lineales.

I I

"r

'"

I

'~

!

Resistencia

1,

,

Esta resistencia está constituida por discos a base de carburo de silicio u Óxido de zinc, incrustados en una masa aglu tinante no conductora. El comportamiento del carburo de silicio, el primero en ser utilizado para estos fines, difiere sustancialmente del comportamiento del óxido de zinc, motivo por el cual se les dedica un subcapítulo más adelante a estos elementos. Por lo pronto, es conveniente resaltar que estas resistencias tienen como finalidad evitar el corto circuito. En efecto, a valores nominales de operación (tensihn de régimen), el valor óhmico resistivo de estas resistencias es muy alto. Sin embargo, ante sobretensiones su valor disminuye apreciablemente, de allí c1 conocido comportamiento autoválvula. El di:m1etro de los discos (figura 17.13) depende de la máxima intensidad de corrien te que será enviada a tierra, mientras que el número de ellos estará determinado por la tensiÓn. Con miras a disminuir la altura o longitud del descargador, se pueden emplazar estos discos en forma heJicoidal, obten)éndose pararrayos mucho más compactos, que ocupan menos espacio y l~bultan sumamente funcionales en zonas sísmicas. Resistencia

1"

I

no lineal

de puesta a tierra

Este elemento, al igual que el siguiente, no está incluido en el recipiente de porcelana del descargador. Su importancia es, sin embargo, relevante, pues un elevado valor de esta resistencia conlleva fácilmente a incrementos sustanciales de los potenciales en la subestación, y más aún cuando el pararrayos se conecta a tierra directamente a la maIJa de la subestación. Asimismo, una inadeCltada instalación a tierra del pararrayos no solamente neu traliza sus efectos protectores, sino que también puede resultar contraproducente, como se verá en un subcapítulo dedicado exclusivamente a este aspecto.

." ."~-i!t

é'<'",""""-,,

m

f I '¡

.&.-.o.

...J....'--."..

'C""'~.-

..

1

II I

500

DeJca¡gadoreJ de JobretenJiones

Descargador a I

Anillo de regulación

1

II

Este elemento, como ya se mencionó, no está contenido dentro del recipiente. de porcelana del descargador. Su tarea consiste en linearizar en lo posible la distribución de la tensión a lo largo de la columna de porcelana del recipiente, en particular cuando la misma se encuentra expuesta a una contami-

nación elevada.

I I

I

f

!

Contadores de descargas En vista de la función protectora de los descargadores de sobre tensiones, es muy razonable llevar un recuento estadístico y sistemático de las veces que la unidad dispara o envía sobretensiones a tierra. Para cumplir con esta exigencia los pararrayos estaban provistos de un pequeño explosor, conectado en el ex tremo unido a tierra de la unidad. El explosór, emplazado excéntricamente sobre un disco de secciÓn circular,. perforaba al papel emplazado sobre éste. La mayoría de los descargadores provistos de este dispositivo derivaban sólo una pequeña porciÓn de la energía que circulaba a tierra hacia el contador. Dicha energía aportaba la tensión requerida para la perforación y al mismo tiempo activaba al mecanismo de cante o para efectuar el registro y ponerlo de nuevo en condiciones de llevar a cabo otra perforación. A pesar de afirmaciones con trarias, el di[tmetro de la perforación sobre el papel no es un índice cuantitativo de la intensidad de corriente enviada a tierra. Estos dispositivos de registro se vieron rápidamente desplazados por contadores más sencillos, de recuento digital. Es recomendable, y ha sido una práctica adoptada en Venezuela, que se conecte un pararrayos a cada fase, y que cada uno de ellos tenga un contador individual. Esto permite apreciar cuál de las fases es la que resulta más afectada en el sistema.

Membranas y válvulas de alivio Cuando el descargador manda a tierra una elevada intensidad de corriente, la descompresión brusca en su recipiente o encapsulamiento de porcelana puede alcanzar valores tan ,elevados que toda la unidad explotaría. Con miras a aliviar este fenómeno, los descargadores disponen de membranas o válvulas, no señaladas en la figura 17.13, que permiten un escape hacia afuera de los gases que se originan en su interior. .

Cl

los descarg;

branas no : in terior. En la las. En el p el envío a

.

En Venezuela se han ensayado con éxito diferentes configuraciones electrostáticas, que poco se asemejan a un anillo, para combatir el efecto de la contaminación salina sobre el comportamiento del descargador. Estas configuraciones, al igual que el anillo represen tado en la figura 17.13. se encuentran sometidas a potencial de línea. Su efecto regulador será tratado también por separado.

Sin

miento de ] Gener una sobre( asumiendo la cu al aCI valve). Una \ al circuito tivos elect: la parte cc (extremo

1

(

to de por. fabricacióI ción de an

"" '"

'"

..,"~.

'

1

';lf! Iretensiones

rCeIp len) posible

del recicontami-

'

".~

':;1 ;ii 'J't;t '¡a !!.f" l!!t :11

iiR

iJI

, ~~

:"

nes elec:to de la as confi, encuentambién

"..

I

,::

'3 j

!

'~

~

J j

4

! ,~

nones, es :es que la

, ~ i

os de un L unidad. circular, ugadores e la enera tensión nismo dc le llevar a ~tro de la 1sidad de [damen te

¡

válvulas, ra de los

Sin embargo, cabe señalar que a pesar de estas medidas preventivas los dcscargadores pueden cxplo~ar, ya que las válvulas de alivio y las membranas no logran controlar las fuertes descompresiones que ocurren en su interior. En la figura 17.14 se ilustra el modo operacional de una de estas válvulas. En el primer instante el pararrayos o descargador de sobretensiones inicia .el envío a tierra de la corriente de descarga a través del mismo encapsulamiento de porcelana. Generalmente esta intensidad de corriente no debería representar una sobrecarga para el descargador. En este caso, sin embargo, sí se está asumiendo una fuerte descompresión brusca en el interior del descargador, la cual acciona de inmediato a la válvula de sobrepresión (pressure relief valve). Una vez que la válvula de sobrepresión abre, el fenómeno es traflsferido al circuito exterior. Los pararrayos cuentan para ello con los debidos dispositivos clectródicos, los cuales provocan una extensión del arco eléctrico entre la parte conectada a tierra, por 10 general la base de la unidad, y la parte viva (extremo opuesto). De esta manera se evita una explosión del encapsulamiento de porcelana. El procedimiento descrito corresponde a un pararrayos de fabricación BBC. Otros fabricantes utilizan una membrana, o la combinación de ambos dispositivos.

~ !§ ,,¡ ,~ ,~ 'i

!

J

, r.

la, que se contador afectada

rien te, la ,ana pue1 lnlras a

501

Descargador autoválvula

~

j! , i

.~

J J ¡ ,

A

Figura 17.14 Esquema fundamental de operación de una válvula de sobrepresión: A) El corto circuito interno, a través del descargador, conduce a una descompresión súbita y la válvula de sobrepresión abre. B) Una vez que la válvula de sobrepresión abre se inicia la conducción del corto circuito hacia la parte exterior del descargador.

¡ I

, tI

l'

¡I I1

- -- - ----

502

17.6

Descalgadvres de subretellsiulles

RESISTENCIAS NO LINEALES

Las resistencias

no lineales más utilizadas

por carburo de silicio, siendo desplazadas base de óxido de zinc.

hasta ahora han estado constituidas recientemente

por resistencias

a

Las resistencias a base de carburo de silicio denotan la siguiente constitución: cristales de carburo de silicio (conductores) se incrustan en un medio aglutinante, no conductor (cerámica o resinas sintéticas). A bajas tensiones el flujo de electrones en los puntos de contacto de los crist~l.es es despreciable, pero una vez que se vence la barrera de potencial en los bordes de los mismos" comienza a circular una intensidad de corriente apreciable; es decir, al sobrepasar la tensión un valor determinado, tiene lugar una variación óhmica brusca. La resistencia disminuye y se facilita el paso de la corriente de la descarga a tierra. Este mecanismo de conducción es independiente de la dirección del flujo de corriente, lo que faculta a estas resistencias para mandar a tieITa indistintamente ondas de polaridad positiva o negativa. La resistencia en cuestión responde sin atraso a cualquier variación en el flujo de electrones. En resumen, a una tensión baja la resistencia le ofrece un valor óhmico muy alto, y viceversa, de allí el comportamiento au toválvula. Así, cuando el descargador dispara, su valor óhmico es bajo y la corriente, por consiguiente, acusa un elevado valor. La tensión, como consecuencia de la derivación, sufre una fuerte atenuación. La resistencia entonces aumenta su valor, restándole energía al arco. En vista del comportamiento predominantemente resistivo, la corriente de fuga también resulta de carácter resistivo. Por consiguiente, la tensión e intensidad de corriente varían de acuerdo con la forma de onda senoidal. Por

Ur

t(/J s)

id

Figura 17.15 Característica de una resistencia no lineal a base de carburo de silicio, al ser excitada con una onda de corriente. Ur es la tensión residual e is la corriente de choque.

Resistenci.

esta raz, intercon De autováh debe de: las sobro debe aSl pueda

S(

En resis tene ción lan e abordar En tes p aráJ1 no lineal lineales, correspo de la mi igual quo ner, del mientra~ el explo~ tensiÓn] Es cxpresa(

tensiones

ituidas lclas

a

constimedio :mes el 'ciablc , DIsmos sobrca brusl'scarga del flua indislestión >hmico mdo el uiente, 1, sufre ándole rrien te lSlOn e ,al. Por

Resistencias no lineales

503

esta razón el descargador autoválvula se utiliza preferentemente en sistemas interconectados y a tensiones que hoy en día alcanzan los 800 kV. De las consideraciones an terlores se puede concluir que la resistencia autoválvula tiene que cumplir con una exigencia contradictoria. Por un lado debe denotar un valor óhmico bajo ante las sobrecorrientes que acompañan las sobrelensiones, de manera que puedan enviarlas a tierra, y por el otro debe asumir el bloqueo de la imensidad de corrieme de fuga, para que ésta pueda ser extinguida por el explosor. En los pararrayos o descargadores modernos se demanda además que la resistencia en cuestión mande a tierra sobre tensiones con tiempos de duración largos, como los que se observan en líneas de extensión considerable. Al abordar el tema de explosores activos se ahondará más sobre el particular. En la figura 17.16 se han representado, en forma conjunta, los diferentes p aráme tros que carac teriz an y facili tan el comp ortamiento de la resistencia no lineal a base de carburo de silicio. Las rectas 1 y 2 representan resistencias lineales, que contrastan con la resistencia no lineal (3). La parte a de la curva corresponde al incremento de la corrieme, mientras que la b al decrememo de la misma, según se ilustra en la figura 17.15. La tensión de régimen U, al igual que la intensidad de corriente de fuga iN, se obtienen, como es de suponer, del tramo b de la curva. El pico de la sobrecorriente está dado por iA, mientras que la tensión de disparo lo está por ud' Esta es la tensión a la cual cI explosor del descargador dispara y comienza el proceso de envío a tierra. La tensión residual se señala como uf' Es fácil demostrar que el buen comportamiento de la resistencia queda expresado a través de la siguien te relación:

u

/

(KV)

/ /

./.

/'

~

Ur

/ / (KA)

---iA

Figura 17.16 Parámetros de importancia relacionados con la operación de un pararrayos auto válvula a base de carburo de sicilio.

:i¡" :11 1" 111

I!:"

504

Desrmgadorcs de sobrelensim¡es

ur G==--=

U

tensión

ResislenciG

residual

"

'

tenslOn nommal

(17.1)

Mientras más pequeño sea G mejor será el efecto protector de la resistencia auto válvula. En vista de que en esta expresión figura la tensión residual, es conveniente destacar que ella también se ve sometida a un compromiso: su valor no puede ser muy alto, pues empeoraría G y además provocaría el acercamiento al BIL del sistema, per,b tampoco muy bajo, ya que entonccs no sc podría extinguir la intensidad de corriente dc' fuga. Esto quedará más claro en el capítulo sobre coordinación del aislamiento.

17.6.1

El óxido de zinc

II

",

II

j

Los descargadores con resistencias a base de óxido meté.ílico u óxido dc zinc comenzaron a penetrar en el mercado en la década de los años 70. El óxido de zinc se conocía desde hace años; sin embargo, la iniciativa de haberlo utilizado en alta tensión se la disputan hoy en día] apón y Estados Unidos. En la figura 17.17 se ilustra la estructura básica del óxido de zinc: diminutas partículas de este material, de aproximadamente 10 ¡'.lll1de diámetro, se encuentran fusionadas en capas intergranulares de alta resistencia. Por lo general, las partículas de 6xidb de zinc (2nO) denota11 una resistividad específica de 1 a 10 n .cm, mientras que la de las capas intergranulares supera a los 1010 cm. En vista de que la permitividad (constante dieléctrica) de

i!

JI ¡

n.

gránulo de ZnO

3~~~C QT~l ,

capa Intergranular

Figura 17.17 Estructura del óxido de zinc. Los gránulos denotan un diámetro promedio de lO,!.lm, mientras que la capa intergranular muestra un espesor de 1 ,!.lm.

estas ea] un cond La donde s con la ( través d ri tan di: d~, zinc.

El lineales corrient sor de I ,

descarg¡

ensiones

505

Resistencias no lineales

'~ Ur (tens,ión residual) -:-([sV)-

(17.1) "

carburo de

¡

:sistenlual, es

, silicio

/

.

ISO: Su ~l acer-

¡SiC}

~ 'j

a \"

s no se s claro

;i

UNV2

,¡

" 'j

,í

:le zinc óxido

I ~ ~

'. 1I 1/

id(kA)

1'10 ti ti-

s. : dimi-

metro, Por lo d espelpera a ica) de

iZnO

f;1

¡SiC

iR

Figura 17.18 Comparación gráfica de diferentes resistencias limitadoras de la corriente de envío a tÍerra. En vista de que la característica del óxido de zinc (2nO) es muy pronunciada, la intensidad de corriente a tierra se ve fuertemente limitada, facilitándose el proceso de extinción dentro del descargador. Este comportamiento ha conllevado a que se elimine al explosor de disparo, ya que, como puede apreciarse, la característica del óxido de zinc es casi ideal (ver figura 17.4)

a '\

¡i

'

'

:

",, !~ '", ,

j i ¡

i, j I

¡

. ¡ J

~stas capas oscila entre valores de 500 a 1000, cada una de ellas actúa como un condensador de cerámica (ceramic capacitor). La característica

u

=

f(i) del óxido

de zinc se ilustra

en la figura

17.18,

donde se le comp ara además con la del carburo de silicio (carborundum) y con la de una resistencia lineal. Las intensidades de corriente que circulan a través de estas resistencias para un determinado valor de la tensión no ameritan discusión alguna, pues resalta el comportamiento favorable del óxido de zinc. El bajo valor de la lineales a base de óxido corriente de fuga. Algunos sor de disparo señalado descargadores sin explosor

corriente, que se observa al utilizar resistencias no de zinc, facilita sustancialmente la extinción de la fabticantes han podido inclusive eliminar al exploen la figura 17.13, motivo por el cual se habla de (Gapless arresters).

I I

506

Descalgadores

de sobre

tensiones

Explosore~

.

Este interesante comportamiento, así como la aplicaciÓn del ZnO, se logra sc1eccionando adecuadamente el punto de trabajo, de manera que la resistencia forma;da por él bloquee en forma tal que prácticamente no c'ircule ninguna corriente de fuga a tierra. El compuesto en cuestión se ha visto recientemente mejorado, en particular con los siguientes aditivos: Bi2 03, MnO, Sb203 y otros. De esta manera el descargador de óxido de zinc cumple con las más exigentes demandas, como por ejemplo el envío a tierra de sobre tensiones de maniobra, etc.

.

Para explicar detenidamente el comportamiento exacto de este tipo de,:, pararrayos se tendría que recurrir al efecto túnel de Fowlcr-Nordheim y a la ley de Schottky, lo cual alejaría bastante el propósito que aquí se persigue. Ellcctor interesado sobre este particular debe remitirse a las referencias indicadas al final del presente capítulo. .

Desventl

.~

Ya a comienzos de la década de los 80 se observó la penetración en el

mercado de descargadores a base de ZnO para operación ligera (light duty arresters) y para trabajo pesado (heavy duty arresten). Los primeros se utilizan en sistemas de transmisión con capacitancias a tierra de 25 J1F por cada 14 k V de tensión nominal de operación y los otros para 50 J1F por cada 14 k V de la misma tensión nominal de operación, esto con miras a denotar una disponibilidad específica de operación bajo ciertas condiciones adversas.

.' 17.7 I

.

Antes de enumerar las ventajas de los descargadores dotados de resistencias a base de óxido de zinc, es conveniente resaltar que algunos fabricantes no han eliminado por completo al explosor de disparo, que en condiciones de régimen permanente aísla galvánicamente a la unidad de la red o sistema. En su lugar han emplazado a un explosor de extinciÓn, el cual tiene como finalidad manejar y ex tinguir a la corrien te de fuga a tÍerra, la cual denota valores mucho más bajos que los que se observan en los pararrayos con resistencias a base de carburo de silicio. El combre Gapless arresters, por consiguiente, no debería generalizarse, sin hacer esta salvedad.

La exig, sino tal' descarg¡ la nece~ que se 1 tarse de Es sin d añ cientos tivo qu pararré.l' del sist se cone<

Ventajas del óxido de zinc

.

.

Permite eliminar al explosor de disparo, con 10 cual se descarta o elimina el comportamiento errático, desde un punto de vista probabih'stico, de este dispositivo. Igualmente se evita la contaminación y eventual suciedad del mismo, pues ya no existe, al mismo tiempo que ~e tienen menos piezas dentro del pararrayos y, por consiguiente, mayor con fiabilidad.

pronun conduc de carl: .Sió n dt . dieléctl

Su característica u = f(i) le confiere propiedades de autoválvula ideal: La adecuada selección del punto de trabajo conlleva a intensidades de corriente de fuga muy pequeñas, casi insignificantes, si se le compara con el de carburo de silicio.

e con lo: escalo1 zuela

~'

'

¡

i

enszones

nO, se que la no c1r-. ~n parle esta tes deÜobra,

.

. ¡ '1

~

ip o de . y a la rSlgue. lS indi-

sistencantes Clones stema. conlo 1 valoenClas te, no

. o e1iabilís-

evenlue se nayor ideal. les de np ara

Su caracten'stica a la del carburo

Desventajas .

1 en el

)or caIr cada denoles ad-

Ofrece una elevada estabilidad, pueden construir descargadores de 5 O años.

en vista de lo cual se estima que se con una vida útil de servicio de más

de respuesta ante impulsos de corriente es superior de silicio. Las sobretensiones que se engendran du-

rante su opcración, por ejemplo al derivar corricntes con tiempo dc cresta de 1 fJ.S, son de 5 a 10% inferiores a las que se observar{an con carburo de silicio.

1

,JI . I

t duty e utili-

507

ExPlosores activos

¡f

.

"I I

del óxido de zinc

Si cfectivamen te se elimina alexplosor de disparo (Gapless arrester), el pararrayos queda conectado galvánicamente a la red y su compor!
'1

i

17.7

EXPLOSORES

ACTIVOS

I :1

I

La exigencia de mandar a tierra no solamente las sobre tensiones atmosféricas, sino también las de maniobra, le planteó rápidamente un nuevo reto a los descargadores de sobre tensiones. Este reto se vio incrementado, además, por la necesidad de enviar a tierra, a través del pararrayos, a las cargas eléctricas que se pueden acumular en las l{ncas de transmisión, las qu<;, en caso de tratarse de líneas muy largas, pueden alcanzar valores considerables. Este desafío consiste, entre otras cosas, en tener que derivar a tierra sin daños permanentes en el pararrayos, intensidades de corriente de varios cientos de ampcrios con tiempos de duración de más de 2000 fJ.s. Es imperabvo que durante este envío a tierra la tensión residual en los extremos del pararrayos no acuse valores que se acerquen al nivel básico de aislamiento del sistema, BIL (Basic lnsulation Level). En el aspecto télmico el desafío se concentra en el incremen to de temperatura den tro del pararrayos, el cual se pronuncia aún más cuando sus resistencias no lineales tienen que asumir la conducción de la corrien te de fuga. En las resistencias convencionales a base de carburo de silicio (SiC) el incremento de temperatura impide la desionización del medio y, por consiguiente, la formación de una adecuada rigidez dieléctrica que impida el reencendido del arco dentro de la unidad. Casualmente los sistemas de 300 y más kV se caracterizan, en contraste con los sistemas de tensiones inferiores, por Aislamientos de paso reducido o escalonado y longitudes apreciables (660 km en líneas de 400 kV en Vene-

zuela y hasta 1000 km en Suecia y Unión Soviética). En estos sistemas se ,¡ ::*

508

ExjJlosor.

Desea Igadores de sobretensiollcs

Ur(kV\

convencional 1

I

UrI

I I I 3 I I I I I

I I I

5 (corriente)

50

Figura 17.19 Explosor con soplado magnético. El arco eléctrico (2) es influenciado por el campo magnético de un imán permanente (3) j su dirección viene dada por (1). Las cámaras de extinción (4) refrigeran al arco antes de que la corriente (5) pase al electrodo de transferencia (6).

200

¡(A)

20000

.. ..,-

Figura 17.20 Reducción obtenida en la tensión residual de un pararrayos con explosores activos (ur2) contra uno convencional (url)' Dcbido a la elevada conductividad del primero la corriente de fuga aumenta (200A). El pararrayos con explosores activos está en condiciones de enviar a tierra ,

impulsos de varios kA.

observan, en función de la impedancia de los mismos, intensidades de descarga que van desde los 400 a los 1200 A. Los descargadores o pararrayos convencionales no pueden soportar estas intensidades de corriente (a lo sumo 300 durante 2000 ¡.ts). Estas limitaciones condujeron a varios fabricantes a desarrollar pararrayos con resistencias y explosores optimizados. El aumento de la conductividad de las resistencias auto válvula e incremento de la intensidad de corriente de fuga para mejorar al soplado magnético ofrecía muchas dificultades de difícil aplicación práctica. Una interesante ventaja de fácil implementacÍón práctica fue la de poner a rotar el arco eléctrico con la ayuda de un imán permanente. En vista de que éste actúa simultáneamente en conjunto con un explosor (gap), se le denominó pararrayos de explosor activo (active gap arrester) (figura 17.19). En efecto, al ener6lZar radialmente al imán, su campo magnético actúa ortogonaImente sobre el arco eléctrico, obligándolo a rotar. De esta manera el pararrayos autoválvula, a base de carburo de silicio, se vio en condiciones de enviar a tierra e interrumpir corrientes de hasta 600 A, ya que la conducti. vidad de la resistencia no lineal aumenta, pues su resistencia disminuye debido al arco, y la tensión residual también h?:ce lo mismo (figura 17.20). En la figura 17.21 se ilustra, en forma comparativa, el comportamiento de un pararrayos autoválvula convencional y el de uno dotado de explosores activos, al descargar a una línea de transmisión de longitud no despreciable. El diseño del imán permanente tiene que ser muy audaz, de manera que la intensidad de corriente (z'nrush current) no lo desmagnetice. Es convenien-

j ~

!

te res, como

de laz

1

(cnfrÍ; 17.7.] El sor nomb

I

j

de pai si tivo que se ]

gen el': cual ( natur:

rrient a su e 1

retensiones

509

ExPlosores activos

-'.."

ZI

1----\"".I .1 l... /\ /

ncional

re--

Ur

,

j d

j 1

I I

¡A

I

I

u (kV)

:

I I I I

Zp

HA) ..

oooo

;i, ,

. "~ .J ,

U¡

r--= 11-ZI

----

:1 "

ida en ITayos contra lo a la rimero !OOA). lctivos l tierra

'J

"1 "~ I1 ;~

r

"1

J",

~ descar-

=

.~

¡ j ;

i

1

j 1 .1

tive gap

.1

1

¡

1 ¡ ¡

diciones onducti-

lera que Ivemen-

'í !

de E -A, al descargar un impulso de tenexplosor activo. sión rectangular. E" A

nán percon un

ye debi)). En la In parativos, al

IZnO

Figura 17.21 Comportamiento comparativo de un pararrayos de SiC contra uno

yos conlo sumo

ea actúa . manera

j

1;

,I

1 j

ISiC

pararralductiviorriente es de di~ntación

:~

i ,;¡

./ J

te resaltar, ademÚs, que en la pd.ctica el arco eléctrico en cuestión no gira como consecuencia del campo magnético, sino que es prolongado en forma de lazo y obligado a entrar en una cámara de extinción, donde se le refrigera (enfría) para sustraerle energía.

\1.7.7.1

Soplado magnético

El soplado magnético y el explosor activo tienen muchas cosas en común. El nombre que se ha difundido más en la literatura para caracterizar a este tipo de pararrayos tal vez sea el primero. Ya en la figura 17.19 se ilustró el dispositivo (fabricación Siemens) utilizado para tales fines. Ahora es conveniente que se exponga el esquema básico de funcionamiento. El campo magnético, requerido para manejar al arco eléctrico, puede ser generado por un imán permanente, como el ya descrito anteriormente, y el cual encuentra una interesante aplicación en corriente continua (no hay paso natural por cero). Pero es también factible utilizar la misma intensidad de corriente que circula a tierra para formar un campo magnético que contribuya a su cxtinciÚn (ver capítulos 7 y 8).

¡j

!iI J .;1 '.:1

~ ,,<,'

j

510

Drscarg([(/orl'S de subretellsiulles

ExplOSOTl

/V

2

,

3

I 1 I

b)

I I

I I 1 (/1 1

2

I I 1 1 I

3

I

I

II

,

,

,

I

I I

a

I, ,

, I

b

Figura 17.22 Secuencia operacional de un pararrayos con explosores activos y soplado magnético: a) Derivación a tierra de la sobrecorriente. b) Derivación a tierra de la corriente de fuga. 1) E xplosores activos, 2) resis tencias de derivación (no lineales), 3) bobina de soplado magnético, 4) resistencia aUloválvula.

focado !

J ) 1

¡I~

r

~ 11

El funcionamiento de uno de estos dispositivos se ilustra en la figura 17.22: bobinas de soplado magnético (3) se encuentran conectadas en paralelo con resistencias no lineales (2), y ambas, a su vez, conectadas en serie con los explosores activos (1). En la práctica se suelen observar varias configuraciones de este tipo conectadas en serie, para as! poder aumentar el decto de soplado sobre la intensidad de corriente, que circula primero a tierra (intensidad de corriente de env¡'o), pero que luego tiene que ser ex tinguida o desgarrada (intensidad de corriente de fuga). La resistencia autováJvula (4) se conecta finalmente a los elementos citados éUlteriormente en la forma ilustrada. Cuando el pararrayos a) Derivación da de una obtiene de impedancia sobrecorrien

dispara, se tienen que diferenciar

El'

¡

dos casos:

de una sobrecorriente. Toda sobretensiÓn se ve acompañaelevada intensidad de corriente (sobre corriente), la cual se la ley de Ohm, 1 = U .Z, siendo U la sobre tensión y Z la de onda del conductor a través del cual circula la referida te.

Como es bien sabido, la frecuenciá que acompaña a este fenÓmeno es bastante elevada, en vista dI' ]0 cual las bobinas de soplado magnético (3) le ofrecen una elevada impedancia UwL) a la sobrecorriente en su trayecto a tierra. Esta no tiene otra alternativa que circular por las resistencias no lineales conectadas en paralelo con dichas bobinas

i I r

I ! I I I

I J , 1

¡ ¡ ! I If ~ 1

z an d o l suele h: ved. a t

,¡

'~

?tensiones

"1

511

Explosores activos

;) ,j

(caso a de la figura 17.22). El proceso, en consecuencia, se desarrolla a través de este trayecto. b) Corriente de fuga. De las dcfipiciones preliminares y de la figura 17.16 se desprende que una vez que el para~rayo,s () descargador dispara o se activa, la intensidad de corriente n'omiiial pasa a alimentar al dispositivo como intensidad de corriente de fuga. En vista de que la frecuencia de régimen es mucho menor (50 Ó 60 Hz, según el caso), las bobinas de soplado magnético no la bloquean, sino que, por el contrario, asumen su conducción él tierra para formar un campo magnético poderoso que obligue a los arcos eléctricos dentro de las cámaras de extinción. Este es el caso b de la figura 17.22.

;~

j

,

~

J

ii.

I1

En la figura 17.23 se ilustra exactamente el mismo fenómeno, pero enfocado por otro fabricante (Ohio Brass, U.S.A.). En vista de que se est,i utilizando la misma in tensidad de corriente para formar al campo magnético, se suele hablar de pararrayos con soplado magnético propio. M:IS adelante se voJver~i a tocar este punto.

1 fi,yura M paralene con

1

ntensi-

¡

i

!

'1; "1

!;

¡

i :¡

@+ A

I,

.!

! )

jI ¡ ! I

lp aña:ual se

r Z la ferida ~

lr por binas

"

@@

¡

desga(4) se ilustra-

meno lagné:ien te

@,

i

Ifigura:eto de

:

~

I ;~ ~¡t

¡~ .~ ]

,¡

,1 ¡! ;j ., '1 '1

11

If '.

\;

B

e

D

I j

Figura 17.23 Secuencia operacional (de izquierda a derecha) de un pararrayos de fabricación Ohio Brass, dotado de explosores activos y soplado magnético. a) Disposición adecuada de los explosores, de manera de poder hacer rotar el arco eléctrico. b) Camino seguido por la corriente de envío a tierra del rayo o falla. c) Extinción de la corriente de falla e inicio del desgarre de la corriente de fuga, con ayuda del campo ma.l;f1ético formado verticalmente. el) Fase final de la extinción te de fu~a.

:¡

de la corrien-

rI 1 J

I

512

17.8

Descargadores de sobretensiones

Regulación

REGULACIÓN DE POTENCIAL

En los subcapítulos anteriores se ha podido apreciar que el pararrayos o descargador alberga una gran cantidad de elementos, cada uno de los cuales tiene que cumplir cabalmente una función especIfica. Es por ello que resulta interesante analizar los mecanismos de que dispone el pararrayos para lograr una distribución uniforme de la tensiÓn entre sus extremos.

I I

Se debe tomar en cuenta, por una parte, que el pararrayos se encuentra expuesto a la acción de la intemperie y a la contaminación imperante en el medio ambiente. Por otra parte, debe considerarse que no todos los elementbs incluidos dentro del pararrayos se encuentran a la misma distancia de las partes conectadas a tierra, siendo, en consecuencia, sus capacitancias a tierra diferentes. En la figura 17.24 se Hustra la distribución ideal y la que realmente se obtiene en la práctica. En el pararrayos, por consiguiente, se tiene que forzar una regulación de potencial que sea uniforme, de manera que todos los elementos se vean sometidos al mismo esfuerzo dieléctrico y puedan cumplir

U(kV)

x

cabalme ~uiente:

Distrib'L

H /

I

I I

Los par nectad( conect; mIsmo ción óJ la ten~ de COL

-

I

/"0 X=H

'X(cm) Figura 17.24 Distribución de la tensión en un pararrayos expuesto. a contaminación, versus uno ideal y limpio. a) Característica ideal de UD pararrayos limpio. b) Distribución de la tensión a lo largo del pararrayos contaminado. e) Distribución de la tensión en los explosores parciales o secundarios del pararrayos contaminado.

I .',

Ya, ger A las des ~.Hiafr ., maCla deterr 1 guard adicio

ij

:bretensiones

513

Regulación de potencial

(OS o des:ualcs tiele re sul ta ara lograr ~ncucntra mtc en el ~lementos le las pars a tierra lmente se ¡ue forzar )s los ele-

"i"

1 cumplir

Figura 17.25 Regulación de potencial en un pararrayos fabricación Siemens: l. Resistencia anular de regulación. 2. Explosor parcial o secundario. 3. Arco eléctrico parcial. 4. Capacitancia de acoplamiento. S. Capa contaminante. 6. Resistencia principal autoválvula.

cé).balmente con sus funciones. guientes: Distribución

de

Los casos que se deben diferenciar

son los si-

unzforme de la tensión

Los pararrayos de exua y ulua alla Iensión consislen de diferentes cuerpos conectados en serie, los cuales contienen, a su vez, varios explosores parciales conectados entre sí. De manera que cada explosor parcial se vea sometido al mismo esfuerzo dieléctrico y trab~e adecuadamente, se recurre a una regulación óhmico-capacitiva u óhmico (no lineal) - capacitiva. La distribución de la tensión depende en tonces de la relación existente entre la intensidad de, corriente de regulación y la intensidad de corriente propiamente capacitiva, generada por los propios ('xplorador('s y por la capacitancia a tierra. Ante solicitaciones de alta frecuencia, como por ejemplo las dadas por las descargas atmosféricas (onda normalizada de 1.2/50 ¡..LS,correspondiente a una frecuencia de 210kHz, a los efectos de la simulación del tiempo de formación de cresta), el porcentaje capacitivo de la regulación asume un papel determinante. Este tipo de regulación se logra,en la práctica con la ayuda de anillos de guarda, como el señalado en la figura 17.13, o a través de condensadores adicionales

que se conectan

a los explosores

parciales (figura 17.25).

. ",,-""""'."'''''-''''''''''

I ,1 !

I 1

.

II

514

RegulaciÓn de í

f)escargadores de sobretensiones

Apantallamiento

de la unidad

En los pararrayos sin regulación de potencial los electrodos de los explosores parciales se encuentran a potencial flotante, cuyo valor depende de las capacitancias a tierra. Cualquier variación del campo eléctrico en la proximidad del pararrayos conlleva entonces a un comportamiento errático de la unidad. Este puede observarse cuando el encapsulamiento de porcelana se limpia con agua (lavado en caliente) y se forman zonas secas sobre su superficie. Para combatir esta dependencia y eliminar la in f1uencia de las capaci-~ tancias de acoplamiento sobre la distribución de la tensiÓn, se emplaza alre{ dedor de los explosores parciales una regulación anular a base de resistencias lineales o no lineales, según el caso (ver figura 1 7.25).

J

I

Ajuste de la tensión de disparo La característica de disparo de los explosores parciales o secundarios (tensión de disparo en función del tiempo de disparo) no denota un uayecto recto, sino más bien curvo (figura 17.5 Y 17.6). Ante impulsos de frente muy escarpado, la tensión de disparo asume valores cada vez más elevados. En vista de la importancia que tienen estos explosores en el adecuado funcionamiento del pararrayos, se recurre en la práctica, con miras a minimizar esta desventaja, a la preionización del espacio interclectrÓdico de los mismos, o, en su defectO, a capacitancias de regulación, como las ya señaladas en la figura 17.25.

Conclusión El pararrayos o descargador se ve sometido en servicio a diferentes solicitaciones, siendo la contaminación imperante en el sitio de su instalación una de las más severas, pues altera sustancialmente su comportamiento. La regulación capacitiva permite neutralizar el efecto de la con t~U1Ünación sobre el comportamiento de los explosores parciales o secundarios, al mismo tiempo que obliga una distribución más uniforme de la tensión a lo largo de la columna de porcelana que alberga a todos los elementos del pararrayos. Finalmente, en la figura 17.26 se ilustra la regulaciÓn empleada por la BBC en sus pararrayos tipo HM. La intensidad de corriente de envIo a tierra sigue el trayecto señalado por a), mientras que b) y c) representan a la regulación del explosor primario o principal y a la de los explosores parciales o secundarios, respectivamente. 17.8.1

Sub estacioneS' encapsuladas

En vista de que las denominadas subestaciones encapsuladas (por ejemplo'cn SF 6) han venido desplazando a las convencionales, es conveniente resaltar que

¡

las consid incluidos En \

j

'r

l I ~

S F 6 con suláÍnien1 pacitivo

dis tribuci da por u valor del

(

ej,' ,¡~

515

RegulaciÓn de potencial

~ensiones .1 ,¡,

B

:

e ---------

A

'\j

.osores' s capamidad nidad. 'la con

F

C,

,>,

J 1

R,

CI

i

R1

¡

:apacl:a alre:enClas

F

R,

ensión recto, cscar-

Cl

RI

Cl

~cuado

T

IInlml-

I¡ . >~

)S mlS-

Figura 17.26 Esquema fundamental de la regulación de potencial en un pararrayos HM de la BBC: a) Trayecto principal de la corriente a través de los explosores secundarios conectados en serie. b) Regulación de potencial de los explosores a base de capacitancias (Cl) y resistencias.no lineales (Rl)' e) Regulación de potencial de los explosores secundarios, pero en forma individual (R2 y C2).

das en .í J I ¡ i

llicitan una

:1

I j 1 .1i

4

11111na-

~ .~

:~ 'iI

[OS, al '1 a lo

i

I para-

¡ ~ j J j I

por la tierra

.~

egulaales o

lo en rque

','

,\" ':.'

, \

las consideraciones del subcapítulo anterior no son válidas para los pararrayos incluidos dentro del encapsulamiento. En vista de que el pararrayos se instala dentro del compartimiento del SF6 con su propio envase metálico, la distancia que separa a éste del encapsulamienw de la subestación resulta ser muy pequeña, y el acoplamiemo capacitivo entre ambos, por consiguiente, es muy elevado. El resultado es una distribución no uniforme de la tensión a lo largo del pararrayos, caracterizada por un elevado gradiente axial en el extremo energizado y un reducidvalor del mismo en el extremo conectado a tierra.

.."

.¡¡

¡I !, l. ~ i: ~ fi ti I

j I

516

j

Descargadores dI' sobretmsiolles

I

En vista de que la compensación capacitiva que contrarresta a la componente axial del gradiente conlleva a una ionización en la pane imerior (encapsulamiento) del pararrayos, se acoswmbra en la práctica conuarrestar el acoplamiento capacitivo, pero desde la parte exterior del envase o encapsulamiento del pararrayos, según se ilustra en la figura 17.27. De esta manera el elevado gradiente hoÓzontal, que resulta de la compensación, se lleva a la atmósfera del SF 6' Algunas ejecuciones prácticas adoptan condensadores cerámicos, unidos por bandas metálicas, que van sujetos a la pared del encapsulamiento. La capacitancia varía entonces de 100 pF en el extremo instalado=

a tierra a varios miles en el extremo energizado.

Operación del

Np-

I i I I

Ud, tensión

dE

I

se

I

~ 1

17.9

OPERACION DEL PARARRAYOS

1

corriente de

Las definiciones y explicaciones de los últimos subcapÍmlos permiten describir el funcionamiento de un pararrayos antoválvula, que opera en una subestación convencional y a la intemperie. Con miras a simplificar la ilustración, las tensiones y corrientes no se han representado a escala.

I re9u7 I I

~ ¡ ~ ~

Operación: El pararrayos se ve solicitado por la sobretensión us' la cual conduce al disparo del mismo, pues excede a la tensión homónil11a, ud' La sobre corriente iA' asociada a la sobretensión (U = 1 Z), comienza a

.

resistencia

~

autoválvulai -<

bobina de extinción

(

electrodo I

I

I1

J

cám~ra.~e extmcJOn

i

resistencia by pass

i

resistencia autoválvula

envase pararrayos

!

,j !\ ~

o-=
I

A:

La ¡nten

B:

celana, s' El paran lado en

C:

de sopla El explc lo cual I

I

I

Figura 17.27 Regulación de potencial en ullpararrayos encapsulado dentro de una subestación de SF6. La compensación capacitiva demanda

CA

;1

,

~

> CB >

I

l

Cc >CD >CE' ---

-~

valor, er táneo di soplado de a toc tensión antes de

O : Pararra~

''''~ f '~1

; :

bretensiones

517

Operación deí pararrayos

',,>t,'

","'"

~

a comporior (el'l~ [rarrestar

Nivel de protección

Np

, ,fit '~~

ud Ur tensión

residual

tensión de disparo

encapsunanera el lleva a la :nsadores

íA (sobrecorriente)

'

l

sobretensión

,

el encapinstalado

Us

,

\'J ¡ ;

í

de fuga

.,I T/2

'1

i!

~n descrina subes-

.

'f

lA

ación, las

Ra

11 "

-

l.

.

corriente de-is regulación resistencia de regulación

Ra

1s' la cual n.una, ud' Imlcnza a

bobina de extinción

';1

Rb Rs

ls

Rs arco

., ,,

UL

'lo ¡:

's

;0

'1;

1

resistencia by pass

Rb

Rb

resistencia autoválvula A

B

D

\

-

A: La intensidad de corriente de regulación, que lineariza la distribución a lo largo del envase de porcelana. se indica como is. pero no sujeta a escala. is circula a través de la regulación Rs. B: El pararrayos inicia el proceso de envío a tierra de la sobrecorriente iA a través del trayecto señalaladó en la ilustración. En vista de la alta frecuencia que caracteriza a este fenómeno. laE bobinas de soplado magnético (M) aún no entran en acción. C: El explosor de disparo se encuentra aún ionizado durante el proceso de envío a tierra, en vista de lo cual la corriente de régimen permanente inicia su trayecto a tierra como corriente de fuga. Su valor, en la mayoría de los casos, viene determinado por la tensión de régimen \' el valor momentáneo de la resistencia autOválvula. En vista de la baja frecuencia de esta corriente. la bobina de soplado magnético (M) permite su circulación, para así formar un campo poderoso, que se extiende a todo lo largo del paquete de explosores (en las figuras se representa sólo a uno de ellos). La tensión inversa del arco eléctrico u L ayuda a limitar la corriente de fuga. permitiendo su extinción antes del paso natUral por cero. El proceso de extinción culmina de esta manera. D: Pararrayos en operación normal.


.-.~.o."

.1

518

Descargadores de sobretel15iones

ser enviada a tierra. La caída de tcnsiÓn cn las resistcncias durante el proceso ca como uL. 17.10

de extinciÓn cs uRa, micntras

Comporta

autov:tlvula

que la ocl arco sc indi-

COMPORTAMIENTO EN LA RED

La característica de la resistencia no lineal de un pararrayos, que actúa como autoválvula principal, ya fue expuesta en las figuras 17.4, 17.15, 17.16 Y 17.18. Se había observado, además, que la resislcncia del óxido dc zinc (ZnO) se aproximaba mucho más al componamiemo idcal que la del carbur~ de silicio (SiC). En vista de que todas las características tienen que pasar por el origen, con pendientes diferentes, es factible su expresión analítica a través de la siguiente relación: (17.2)

Id =k.un r

Para n = 1 existe, de acuerdo con la relación en referencia, una proporcionalidad directa entre la intensidad de corriente i, y la tensión u, es decir, 'absolutamente ningún comportamiento como autoválvula. Para n -+ 00 la tensión no denota ninguna dependencia de la intensidad de corriente, mientras que la resistencia sí, y en forma inversa (comportamiento ideal como autoválvula). En la práctica el valor de n depende en sí del material, y para las resistencias a base de SiC dicho valor oscila entre 3 y 6. En la figura 17.28 se ilustran, en forma comparativa, los valores citados. Para obtener un buen comportamiento en operación comercial se demanda una apropiada coordinación entrc las características u = f(i) Y u = f(t)

del pararrayos. Así, se tiene que para intensidades de corriente superiores a los 2 kA (i > 2 kA) el incremento en la lensión no debería exceder un 10% al

i

duplic; 17.30) denote valor, caSI C( en for vados h ay a ( tan te,

t I

id(kA)

]

n -.""

¡ ! :1

J :1

J

ur(kV)

Figura 17.28 Representación analítica de la relación 17.2, correspondiente a la resisten. cia de derivación del pararrayos.

,1

. .~

~!

1

~ _L

-

-

retensiones

519

Comportamiento en la red

oválvula ) se indi-

ur(kV)

.

Ur =- f(id)

ua como 17.16 Y de zinc carburo id(kA)

----

1 origen, ,

2

de la si-

:e, mlenal como

.para las 17.28 se

ti se deu

= f(t)

:nores a 1 0% al

4

Figura 17.29 Característica no lineal de un pararrayos autoválvula y valor de referencia (2 kA) a los efectos de coordinación con la característica ud = f(td)'

(17.2) oporclolecir, ab~ 00 la

3

1, : I

duplicar ala corriente (figura 17.29). La característica de choque (figura 17.30), que expresa la tensión de disparo ud en función del tiempo, debe denotar un comportamiento horizontal, de manera que a partir de cierto valor, por lo general t = l,us, el valor de la tensión de disparo se mantenga casi constante. La sintonización de ambas características debe llevarse a cabo en forma tal que el pararrayos no permita, ni engendre, la formación de elevados picos de tensión, como se verá a continuación. El tratamiento que se le haya dispensado al neutro del sistema desempeña aquí un papel muy importante, como podrá observarse al tratar la selección del pararrayos.

<

Ud (kV) , .~

2

Figura disparo válvula base de

3

4

17.30 Coordinación del tiempo de con la característica no lineal auto(figura 17.29) de un pararrayos a SiC.

j

1 1 ~

1

'i j ¡

520

¡

Descmgadores de sobretensiones

17.10.1

Comporte,

Al final de una línea

i

I I j I

La ubicación del pararrayos en el sistema no puede ser arbitraria, ya que su radio de protección es limitado. En servicio, por consiguiente, el pararrayos o descargador puede verse conectado al final de una línea o en el punto de unión de dos líneas de impedancias características diferentes (por ejemplo unión de línea aérea con cable subterráneo). A continuación se tratará al primero de ellos: Una onda viajera se desplaza a través de una 1ínea de impedancia cá;. racterística Z (figura 17.31), al final de la cual se encuentra conectado un pararrayos con propiedades autoválvula. Antes de que. el pararrayos dispare, la tensión duplicará su valor por reflexión, bien sea porque la línea se encuentra abierta en ese extremo o porque la misma alimenta a un transformador de potencia (ZT » ZL)' pero una vez que el pararrayos haya disparado, la tensión de disparo, ud' obligará la circulación de una intensidad de corriente a través del mismo.

I

.

Utilizando un circuito equivaleme el de la figura 17.32, se obtiene

pero apropiado

2.U=i 1 .Z+u

'd

Figura l' miento a tudes inv

up en, ta en

para tales fines, como

comler sobret! S,

(J7.3)

r

un par teccióI

de donde se despeja a ur

= 2' U -

i}

.Z

sidad ( 1a tem el cual

(17.4)

Esta relación, junto con la característica u = f(i) del pararrayos (figura 17.29), permite determinar gráficamente el recorrido de la tensión residual,

U{t)

-i,

z ~'Z

z

Figura 17.31 Representación esquemática de la aproximación de una onda de tensión a un pararrayos autoválvula.

_il Q,

Figura 17.32 Circuito equivalente al de la figura 17.32.

'1

?tensiones Comportamiento

en la ¡-ed

521

I u(kV)

i

ya que )ararra-

--

2'U "

I punto :jemplo ltará al

---

..~

T i

f

, '7-

~ T ...=

,'

.

i" ,

U, I

nCla caonecta-

~

.

-....---.

I

ud "-':101

u, + ¡

. " .", I,'Z

,, I ,

'd

que el 'n, bien Irque la ), pero

t

l(pS)

¡(kAl

.

1

i,

!i Figura 17.33 Determinación gráfica de la tensión residual en un pararrayos con comportamiento autoválvula (SiC), al enviar a tierra una onda de tensión de amplitud U. Las magnitudes involucradas no se han representado a escala por razones estrictamente clidácticas.

HO, ud' iel mis-

up en el propio descargador (figura 17.33). La onda de tensión 2'U intercepta en el punto de disparo a la característica homónima del pararrayos y comienza el proceso de derivación a tierra de la sobrecorriente asociada a la sobretensión (U = J'Z). Según se desprende de la relación 17.4, la tensión residual desempeña un papel importante en el comportamiento del pararrayos y su grado de protección. Representando convenientemente a ur + i' Z, en función de la intensidad de corriente, y transportando los valores de una gráfica a otra, se obtiene la tensión buscada. Generalmente interesa al valor pico de la tensión residual, el cual coincide con la amplitud máxima de la onda incident
s, como

(17.3)

(17.4)

1~ ['1 :1"

"

(figura ~sidual, u(kV)

i;

ur(t

1

ur

)

=-

f(id)

iCC=-~

~>

i(kA)

id (t, )

: al de Figura

17.34

Determinación

Z

gfafica

de la

tensión residual para el tiempo tI . .,,

~"-""

I .1

1

I I 1 ] ~

522

Descargad{)res de sobretensiones

Comporta

La tensión en el descargador también se puede determinar de otra manera: a un valor específico dda tensión, por ejemplo 2U(t}), le corresponden dos valores fijos de u e i. En el diagrama u = f(i) la relación

2U(t}) - i.Z

=ur

í I I t J I

II

(17.5)

1 !

I

representa entonces una línea recta. Esta corta al eje de las ordenadaJ (circuito abierto) en el punto 2U(t}) y al de las abscisas (corto circuito) en el punto

'.

2.U(t} )

(J 7.6)

ice = Z

La intersección de la línea recta los valores correspondientes u e i para En forma análoga se obtienen los En lo futuro se hará uso de este que ofrece y su rapidez.

con la característica u = f(i) suministra 2. U(t} ). valores para t2, t3, t4, etc. método, debido a las ventajas prácticas

de done

Cc

17.10.2

En un nodo

I J! J

El otro caso frecuente y de importancia práctica es el correspondiente a la instalación del pararrayos en un nodo, al cual están conectadas dos líneas de impedancias caracterÍsticas diferentes (figura 17.35). El circuito equivalente se ilustra en la figura 17.36. Por razones de sencillez, se asume que la longitud de las líneas en cuestión es infinita; de esta manera no se tiene que considerar las reflexiones en los extremos de las mismas. Del circuito

equivalente

~

I

In

Es deci

, g I J

se obtiene la siguiente relación: E:

2.U(t)

= i} .Z} + ur

(17.7)

dado p \""

'.", '"'1""

Uh) 21

A p

22

e'

1

-

~. ,41

,"

Figura 17.35 Conexión de pararrayos en nodo de transmisión de dos líneas con impedancias

características

diferentes.

hasta J 'tensió: mmo enviad

en vac presió

etensiones

Comportamiento

523

en la red

,

>tra ma-

,(

z¡

Z2

:ponden , .¡ ;

(17.5)

- i2

-'1

,¡ 'j'1

(circui~lpunto

~

I

j Id

2'U(tJ

I

I

Ur

Figura 17.36 Circuito figuración representada

(17.6)

equivalente de la conen la figura 17.35.

ninistra

I¡ i

rácticas

de donde

:;1 ;~ ¡¡

A ..¡ ~

nte a la 'neas de ivaIente a longiue con-

Considerando

que i I

-

i¡ 'Z¡

= id + i~

y

ur

(17.8)

= i2 . Z2

se logra que

',¡ 1,.

.~' ¡M

Z¡

ur

J ':~ !~i ."J ";)

= 2'U(t)

ur

'"

= 2' U (t) -

.

id Z ¡ - ur'

Z2

(1 7.9)

.'

Es decir,

:¡

Z¡ 'Z2

.:~ ¡!j '\!' r¡

Ur =U(t)bu

-

id' Z2 + Z¡

(17.10)

.

~

(17.7)

JI

';1 .,!

En esta Última relación se ha introducido dado por la conocida relación

'j q "

j

el factor de paso, el cual viene

2Z2 \

bu

Z2 + Z)

(17.11)

Nota: Si se supone que Z2 tiende a infinito (Z2 -+ 00), lo cual corresponde a un circuito abierto, la relación anterior (1 7.10) se transforma en la relación (17.4) del último subcapítulo. La tensión residual, up se puede detelminar gráficamente. Para ello, basta multiplicar U(t) por el factor de paso bu (relación 17.11). La caída de tensión en la línea, debido a la conexión en paralelo, viene dada por el término negativo en la expresión 17.10. La intensidad de corriente que es enviada a tierra por ,el descargador, id, se obtiene de la división de la tensión en vacío, término positivo del lado derecho de la misma relación, por la expresión Z¡ Z2/(Z¡ + Z2) y la relación ur/id'

- -. - - - - - - -

524

Comportan

Descmgad()res de sobretensiones

En caso de que el descargador se encuentre en el nodo de unión de varías líneas de transmisión, Z2 representa la resistencia en paralelo de todas ellas. Si se comparan las tensiones en ambos casos, se puede determinar la atenuación que sufre la tensión en función dd número de líneas que parten del nodo en referencia. La atenuación será más fuerte mientras mayor sea l,a tensión nominal, ya que a tensiones más elevadas la resistencia de derivación (no lineal) denota valores más altos. La impedancia característica, por su parte, permanece invariable. Este caso particular, frecuente en los sistemas de distribución de hasta 69 kV, no se observa en los sistemas de extra y ultra alta tensión, por lo que! sólo se analizará la figura 17.37, que aborda una situación parecida. Un porcentaje determinado de la intensidad de corriente circulará a tierrra a través del descargador, al igual que a través de las líneas que partan del nodo en cuestión. Si Z2 representa la conexión en paralelo de varias líneas, se observa que tanto la tensión residual como la misma intensidad de corriente sufren una disminución. Pero si se incrementa sustancial mente el

y para 2

j con la c trayecto 2U (t 1 El ya que En viste ordenac

valor -de Z2 (Z2 -7 00), se cae en el caso anterior (figura 1 7.31). Debido al incremento en el valor de la resistencia al disminuir la intensidad de corriente

ría liger

(efecto aUlOválvula), la tensión residual, up también tiene que disminuir su valor, pero mínimamenre, como se observa en la figura 17.37. El gráfico se obtiene de la siguiente manera: primero se determinan los puntos de intersecció,n de la línea recta, dada por la expresión 1 7.1 O para 22 -7 00

Conclw Al h ab ( de ZI quesel VI de un ( se VIO brctcns

ur(kV)

E lí

bu.U

~:

~ id(kA)

..~...

" id (Z2 «00)

id (Z2

ice ""'00)

Figura 17.37 Variación de la tensión residual de un pararrayos en función de las -impedancias conectadas al nodo.

Comportamiento

tensiones

ión de ~ todas inar la

525

en la red

= ur

2" U (t 1 ) - id "Z 1

(17.]2)

y para Z2 «00

parten r sea la lvación

ZI "Z2 U(tl)bu

-id"

ZI

(]7.10)

=ur

+Z2

su parcon la característica ur = f(id) del descargador. trayecto de las líneas rectas en referencia:

e hasta

Los siguientes puntos

fijan el

lo que 2U(tl)

e

iee

= 2U( tI )/Z 1

y

U(tl)bu

e ice

ulará a

= 2U(tl

)/ZI

(]7.]3)

partan lrias lídad de ente el o al inrnenTe

El punto de corte con el eje de las abscisas es el mismo en ambos casos, ya que Z2 también sufre los efectos de un corto circuito en el descargador. En. vista de que bu < 2, el punto de corte o intersección con el eje de las ordenadas arroja valores diferentes. La tensión residual, como ya se dijo, varía ligeramente su valor.

lUIr su

Conclusión

lan los

Al haber un cambio en la impedancia característica del sistema, por ejemplo de ZI a Z2, con Z 1 > Z2, se reduce en forma acorde la almra de la onda que se desplaza en la 1ínea de impedancia característica ZI . Un caso particular de este comportamiento resulta ser la interconexión de un cable (22), con una l{nea de transmisión aérea (2 1)' En el cap{tulo 16 se vio que el cable puede ser utilizado como elemento protector contra sobretensiones.

O para

~ I /1

I

.,1

t

Ejemplo: Dos ondas viajeras, UI (t) Y U2(t), se aproximan a través de las ] íneas Z 1 y 22 a un descargador de sobretensiones, según se indica en la

! \;.

¡ ¡

u,

(1:) U 2 (tJ

ZJ

Z¡

.

1,.

-

-

.

.,. '"

I¡

""

526

Radio de

Descmgadores de sobretellsiones

figura] 7.38. Suponiendo ud' determinar:

que la tensión

a) la tensión en el descargador b) la tensión en el descargador

de disparo del descargador

es

antes del disparo. después del disparo.

! I I I

o

I

a( dI SI

Solución a) la tensión en el pararrayos, tensiones; a saber:

u, está dada por la superposición

o expresado fracción)

2Z1

Z~l +Z2

= U¡

Se supone, a efectos po al nodo.

. i

b) cuando id:

+

U2(t)"

Zl + Z2

con la ayuda de los coeficientes

u

(t)bu

12

o factores

de paso (re-

17.11 El par una ft funció cident

que las ondas llegan al mismo tiem-

dispara, env{a a tierra la intensidad

id

ro, ud' fiesta (

+ U2 (t)bu21

del cálculo,

el pararrayos

un des p al desc E

..,

2Z2 U=Ul(t)"

p;

de dosE

de corriente

pararr sitio ( () bsef\

= i( + i2

dente

I f

con

i2

_iJ

-

L -=-

(I -

2uJ(t)-~

Z( ~

e

. 12 -

2U2(t)-Url "

Z2

La tensiÓn buscada, imperante en el pararrayos instantes después de haber disparado, viene dada entonces por la siguiente expresión, que se obtiene al despejar a ud de la relaciÓn anterior:

I tramo vera a

tensiones

527

Radio de protección

Z¡

;ador es UcJ=u,(t)buI2

+

u2(t)bu21

-i.

ZI

. Z2 + Z2

Obsérvese: De esta expresión se pueden obtener los dos últimos casos aquí tratados; a saber: descargador autoválvula al final de una }¡'nea y descargador autoválvula en el nodo de unión de dos lJ'neas de transmisión de impedancias caracten'sticas diferentes. de dos

:¡.." .' ';' .f.

~

1jf

aso (re-

'] ..¡¡ ;11

Para U2(t) = O, por ejemplo, se obtiene la relación 17.10, válida para un descargador conectado al nodo de transición de dos impedancias (Z I =l=Z2)' Para Z2 -+ DO,por ejemplo, se obtiene la relación 17.4 correspondiente al descargador conectado al final de una lJ'nea o cable de transmisión. En el ejemplo citado se debe sustituir, en realidad, a la tensión de disparo, ud' por la tensión residual, ur' ya que después dé! disparo sólo se manifiesta ésta.

.J

¡

j

17.11

RADIO DE PROTECCION

'1 j j

10 tiem-

trriente

i

El pararrayos o descargador, como su nombre lo indiCa, tiene que cumplir una funciÓn protectora en el sistema. Expresado en términos breves, dicha función consiste en reducir el valor de una sobretensión, u onda viajera incidente, U(t), a un valor inferior, dado por la tensión residual del propio pararrayos. Como es de suponer, esta condición sólo se da y se cumple en el sitio donde se ha instalado el pararrayos. A poca distancia de él se pueden observár sobretensiones, pero que no alcanzan la magnitud de la onda incidente antes del disparo. El efecto protector del pararrayos, por consiguiente, abarca una zona o tramo de líneas antes y después del nodo al que ha sido conectado, como se verá a continuaciÓn, pero diferenciando los siguientes casos:

'¡

1>

v

f-a--1 p

j ¡

ués de n,que

I

.1 \ .¡ :¡ ,1

,¡ Jj

,\ .1 '~ ""¡~ .JiJ:¡ .......

Figura 17.38 Explicación gráfica del radio de protección de un pararrayos.

::¡

f r f I

, I

t

¡ I 1

528

I

I I .

SelecciÓn

I

CV1lclu:

I I 1

El radie

LJescGlgadores de sobretensiones

Descargador conectado

a un nodo

II

En la figura 17.38 se ilustra la conexión de un pararrayos y la incidencia de una sobretensión de pendiente du/dt. Esta varía su magnitud y duración en función del lugar o trayecto recorrido x. Conociendo la pendiente S (kV/J1 s) de la onda, la velocidad de propagación v (m/seg) y la tensión residual del descargador, ur (kV), se puede determinar el radio de P rotección máximo Qmax, (m ). Para el punto P, situado entre el pararrayos y la olida incidente, el in-o... cremento de tensión está dado por ;

u pero considerando

p

= ur +

que v ==dx/dt, up = ur

+

1 a(du/clt)-

I

(17.14)

V

"

,O<.

se obtiene

=- l); S

La sclt

(17.15)

Suponiendo que la distancia que separa al punto P del pararrayos, el radio máximo de Protección, Qmax, se obtiene

La relación dada por la pendiente define como pendiente espacial.

ur

'V

y la velocidad de propagación

Impar tambic

a, sea

SerVICJ

'

Hz, ql vcrla

(17.16)

compJ vio, el

I

(S/v) se

es pru I I

Descargador conectado

17.12

11

a(du/dt)(dt/dx)

Q , '= up - l'r max (du/dt)(dt/dx)

porClOr a la vele El siÓn la radio el mas, m Cl dores t mas ce adecua

Cvne:

a la entrada de una sub estación

En vista de que la impedancia de la subestaciÓn es mucho mayor que la impedancia de onda de la línea, la pendiente duplica su valor por ref]exi(>n, al ser reflejada en el extremo de la línea. El radio de protecciÓn máximo se ve entonces reducido a la mitad

~

I

I I

Qm ax ,

= (u p.

- ur )

.

!

v

-2S

(17.17)

1

! f

En la práctica la tensión u , que en este caso corresponde a la tensión de! punto P de la figura 17 .38~ puede ser la tensión básica de aislamiento (BIL) ante impulsos atmosféricos, menos un margen de seguridad que oscila entre 15 y 20%. Este particular será tratado en el cap¡'tll¡o correspondiente a la coordinación de! aislamiento.

¡ I

Ii I

I ...1

]

nes e activI 1 7.3 ~

-í

J~

nSlOnes

529

SelecciÓn de pararrayos

1 "~

Conclusión

J

-

)

a

.u iencia "ación

>pagadeter-

~

f: '~

,-

j

1 -

;1

,11

el in'1

¡ ij

7.14)

j

..

El radio de protecciÓn máximo de un pararrayos, Qmáx' es invcrsamcnte proporcional a la pendientl' S de la onda incidente y directamente proporcional a la velocidad de propagaciÚn de la onda. En vista de que en los sistemas de transmisión de extra y ultra alta tensión la pendiente de la onda incidente puede denotar valores muy altos, el radio de protección de los pararrayos no excede los 60 metros. Algunas normas, inclusive, lo limitan a 50 metros. Cuando se desea proteger equipos muy costosos, tales como transformadores de potencia, reactores, cte., se recomienda emplazar a los pararrayos lo más cerca posible a éstos, para as{ descartar cualquier riesgo y garantizar una adecuada protecci(m. ,

17.12

'1

SELECCION

DE

1,

PARARRA VOS

j

La selección de la tl'nsi¿m de diseí10 del descargador o pararrayos es de vital importancia, ya que ella determina el grado de protección del mismo y también su costo. B(Üo ningún aspecto el pararrayos deJ;>everse expuesto, en servicio, a una tensión o sobretensi¿m de frecuencia fundamental, 50 ó 60 Hi'., que exceda su tensiÓn de extinciÓn, pues de lo contrario el pararrayos se vería sometido a una sobrecarga. Si dicha sobrecarga excede el límite de descompresión que pueden manejar las membranas internas y la válvula de alivio, el encapsulamien to de porcelana explota. En vista de que el pararrayos se puede conectar de diferentes maneras, es prudente diferenciar las más usuales:

7.15 ) a, sea

7.16) IV) se

Conexión

entre fase y tierra

Esta es, sin lugar a dudas, la más usada o acostumbrada de nes en los sistemas de transmisión de energ{a eléctrica. Entre los hctivos y tierra se emplazan tres pararrayos, seSTÚnse indica ~17.39. La tensi{m de fase a tierra es entonces determinante en la

mpeal ser e en-

R

7.17) s]on :nto scila Ite a

~<. "c.-.~-~..~.~

uL -$

N

t-T

U,

~

pararrayos

-~

J í

falla

Figura 17.39 Conexión de pararrayos coeficiente de conexión a tierra.

o_.

.. ._~---

y

las conexioconductores en la figura selección de

i

"1 ,1 ':1

!

,! I

JI

j

j 530

Descargadores de sobre/ensioues

la tensión de diseño del pararrayos, pero también el tratamiento que se le haya dispensado al neutro del sistema, debido a los posibles incrementos de tensión en las fases sanas, cuando tenga lugar, por ejemplo, una falla a tierra monofásica.

U1 UL

= k -UL = 0.8(UL)

ya que

k

= 0.8

la cual limita a la intensidad

de corriente

de falla. Al sobrevenir

una

falla a tierra monofásica, las tensiones en las fases sanas su fren un ligero incremento, proporcional a la caída de tensiÓn en R. Este caso, de importancia en sistemas" a base de cables subterráneos, ya fue tratado anteriormente en el subcapítulo 14.5, capítulo 14. La figura 14.31 ilustra el incremento citado en las tensiones de las fases sanas. El coeficiente

~

instalación

a tierra

de estos

0.8 y 1, Y la tensión de disparo se seleccjona Ud

= k-UL = (0.8. . . . . . 1.0) UL

1

I

:1

1 J 1 'j

I de se< tema tierra

(17.19)

2. Sistemas con instalación a tierra semirrígida. En estos sistemas se encuentra conectada una resistencia óhmica, R, entre el neutro y tierra, -

4

l'

e indica, por consiguiente, la relación existente entre la tensiÓn de fase a tierra, de cualquiera de las fases no cfectada por la falla a tierra, contra la tensión de línea de las fases sanas.

Ud

3

f

(17.18)

1. Sistemas con neutro rígidamente conectado a tierra. Estos sistemas ya fueron tratados en el cap¡'tulo 14, subcapítulo 14.4, y corresponden a los sistemas comerciales de alta, extra alta y ultra alta tension. Al ocurrir una falla a tierra. en cualquiera de las fases, no hay ningún desplazamiento del neutro o centro eléctrico del sistema hacia la fase afectada, ya que el neutro, de por sí, se encuentra también conectado a tierra. Las fases sanas, por consiguiente, no sufren ningÚn incremento de tensión y el coeficiente de aterramiento es m < 0.8. La tensión de diseño (disparo) del pararrayos se selecciona entonces de acuerdo con la siguiente expresión:

I I I I ¡

i I

'\

=

SelecciÓ

I

Ya en el capítulo 14 se trataron los diferentes esquemas de instalación a tierra. A continuación se les cita de nuevo muy brevemente, para analizar la incidencia de éstos sobre el coeficiente de aterramiento m y la selección del pararrayos. El coeficiente de aterramiento m está dado por la siguien te expresiÓn:

111

j

sistemas

oscila

entre

de acuerdo con

(17.20)

f 1

I ¡

dund mcnt han

(

de éx .Gone I

¡

El ex tierra resul1

"'

parar

!

:~

?tensiones

531

Selr:cciÓnde pararrayos

;e le ha, de ten-

3. Sistemas con conexión inductiva a tierra. La bobina Petersen, que compensa reactivamente la corriente de falla, en caso de una perturbación en el sistema no impide el incremento de tensión en las fases sanas (subcapítulo 14.3, figura 14.18), de allí que el coeficiente de conexihn a tierra de estos sistemas sea igual a 1 (m = 1). La selección del pararrayos se hace entonces de acuerdo con la siguiente recomen. daciÓn:

a tierra:

[ación a iliz ar la :ión del 's1On:

Ud

= k 'UL = 1.0(Ud

ya que

k

= 1.0

(17.21)

4. Sistemas con neutro flotante. Estos sistemas, al igual que los tratados en 1.3, denotan un incremento dey'3 en la tensión de las fases sanas, al suceder una falla a tierra mOl1ofásica. La selecciÓn de la tensiÓn de disparo del pararrayos se hace con base en

17.18) fase a Intra la

Ud =k'l!L lstemas

= 1.1 (Ud

yague

k= 1.1

(17.22)

5. Sisternas con caracterÚticas especiales. Estos sistemas, entre los cuales destacan aquellos con líneas de longitud apreciables, interconexión de bancos de condensadores en serie, puestas a tierra múltip~es, cuatro conductores, conexión en estrella con neutro común, conexión en Delta, cte., ameritan un estudio particular, en función del cual se selecciona la tensihn más adecuada para el diseño (disparo) de los pararrayos.

responensión.

nmgun la fase ectado remenenSlon :::uerdo

En vista de que en el capítulo 14 se habían contemplado las impedancias de secuencia positiva y secuencia cero, al analizar el comportamiento del sistema afectado, es conveniente destacar que el coeficiente de conexión a tierra ta111bién se puede expresar a través de la siguiente reIacihn:

17.19)

2---' , \

se en-

tierra, llr una I un li-

m=~.j3¡

L2

XO/XI

+ Xo/X-;] + 1

(17.23)

donde Xo y X 1 son las reactancias de secuencia cero y positiva, respectivamente. El lector experimentado podrá apreciar que en la última relación se han despreciado las resistencias, lo cual es perfectamente factible en sistemas de extra y ultra alta tensión.

~ caso, (a fue figura sanas,

Conclusi6n

en t re El exacto conocimiento del comportamiento del sistema, en caso de fallas a tierra, debido al tratamiento que se le ha dispensado al neutro del sistema, resulta ser de ex trema importancia en la selección de la tensión de diseño del

17.20)

pararrayos,

- - ---~---~--

ya que elb estipula el nivel de protección

..,.f

-~,~~~,::¡,

dado por el mismo.

--- ---

,

i I I

532

I tI II

Descargadores de sobretensiones

Conexz'ón entre el neutro del sz"stemay tierra

Selección,

Protece:

I I

La selección de los pararrayos para su conexión entre e! neutro del sistema y tierra depende del tratamiento que se le haya dispensado al neu tro dd sistema (capítulo 14). Se tienen que diferenciar, por consiguiente, los siguientes casos:

J

Ud

= 0.6

I

r

I ! I

.

en la práctica

torias)

aislamic

I

La selección de la tensión de disparo se lleva a cabo independientemente de! coeficiente de aterramiento. Los valores recomendados más frecuentes

I

expuest Cla, Po]

de disp sobreca selecci(

oscilan entre

(17.24)

. . . . . . 0.8 (UL)

donde

2. Szstemas con z'nstalación a tz'erra efectz'va del neutro. En estos sistemas, con miras a reducir el nivel de corto circuito, es posible que no todos los neutros estén conectados a tierra. Si los transformadores de

torio

(

oscila

potencia han sido diseñados con aislamiento reducido, particularmente en la conformación del neutro, entonces es recomendable su protección contra incrementos bruscos de la tensión.

con el

La selección de la tensión de disparo del pararrayos de acuerdo con la siguiente relación:

dores, algunc dos di 1 conve: la má1 ser tr,

Ud

= If , 1 X Zo

se lleva a cabo

(17.25)

acoplé se ilu: maal

l

R S

t 1 1

T

w

I

Ud "1

-

I

E vidas ~

donde If,l es la intensidad de corriente monopolar de falla a tierra y Zo la impedancia de secuencia cero del sistema afectado. En vista de que la tensión debe ser limitada, se toma como valor de referencia la tensiÓn residual (kV) correspondiente a 1 kA de derivación a tierra.

-I I

Figura 17.40 Conexión del pararrayos al neutro del sistema,

~

J

estable( tiene c<

1. Sz"stemas con z'nstalación a tierra no efectiva del neutro. Por tales sistemas se entiende al neutro flotante, inductivamente puesto a tierra, y bajo ciertas circunstancias también a la conexión semirrígida a...

tierra.

La se!e(

L --~

'..

;1 .1 '¡

mswnes

]

¡

533

Selección de pararrayos

¡

Protección

ema

de nwtores

y generadores

y,

La selección del pararrayos para la protección de máquinas dinámicas (giratorias) no es sencilla, debido a que la mayoría de tales máquinas denotan un aislamiento bajo. La tensión de disparo del pararrayos, que al mismo tiempo establece el nivel de protección, tiene entonces que ser también baja. Si se tiene conocimiento de que la máquina que debe ser protegida puede verse expuesta a incrementos sustanciales de la tensión de régimen, como consecuencia, por ejcmph, de bote de carga, entonces es menester aumentar la tensión de disparo, o, en su defecto, exponer conscientemente al pararrayos a una sobrecarga, la cual debe ser estimada de antemano. La tensión de disparo se selecciona entonces con la ayuda de la siguiente relación:

1 sistetientes

les sistierra, gida a liente¡dados

Ud=UL.I00+AU 100

17.24)

I:I!

s sisteiue no Hes de irmen;u proa cabo

17.25)

¡ I ,1

Zo la

., ~nSlOn

I (kV)

(17.26)

1

J

:;1

donde UL es la tensión (fase- fase) de la máquina y A U el incremento transitorio de tensión ante bote de carga y máxima excitación; este último valor oscila entre 30 y 40%, pero debe ser consultado o ratificado, en todo caso, con el fabricante de la máquina. En la práctica las máquinas en cuestión se encuentran casi siempre servidas a través de un transfon11ador de potencia. Tal es el caso de los generadores, cuando operan en bloque con el transfonnador elevador. También algunos motores, por ejemplo de plantas de bombeo, pueden verse alimentados directamente por un transfonnador reductor. Independientemente de la protección seleccionada en el lado de alta, es conveniente entonces escoger adecuadamente los pararrayos a la entrada de la máquina, ya que las sobretensiones engendradas en el lado de alta pueden ser. transferidas al lado de baja, donde se encuentra la máquina, a través del acoplamiento capacitivo e inductivo del transformador. En la figura 17.41 se ilustra una de estas contingencias, cuando una sobretensión u(t) se aproxi!J1a al devanado del transfon11ador de potencia.

"' ¡

!

1

U(d

II~

-

)

c~

n///N,Ll::/N":~l//Q~I,,,l,,:~:, Figura 1 7.41 Protección de un transformador de potencia trifásico (V -A), el Ctu! opera en bloque con un generador. Las capacitancias representadas son hipotéticas.

~'~,-,,,",,~I!$

i'/ ,;¡ I!! ':11

""

",

:'

I

'" "1

"'

534

Descargadores de sohretensiones

Selección de pararrayos

El transformador de potencia acusa el grupo de conexión Dy5, con A hacia el lado del generador, mientras que el lado de alta ofrece la conexiÓn en estrella. El pararrayos se encuentra conectado en derivación (fase- tierra) y en este lado, según se desprende de la figura. Al engendrarse una sobretensión en el lado de alta, como la seí1alada en la figura 17.14, parte de la energía que caracteriza al fenómeno transitorio penetrará, una vez que alcance el transformador, en el devanado conectado en estrella. Sin embargo, el acoplamiento existente entre ambos devanados permitirá una transferencia de potencia hacia el devanado de baj a tensi ón (conectado en delta), al cual se encuentra unido galvánicamente el generador. Suponie~-

do una sobretensión tripolar, se obtiene la siguiente relación:

U2 =Ul'

C12

+

Cn C;; + C;;'

la que se obser este fenómeno, formador. El ge oscilación de re do energético. Al contemplar ah( formador (operación e mente pasan a denota¡ generador y de la indl la capacitancia total

"

(17.27) del devanado en A del

Esta relación tiene sólo validez para el acoplamiento capacitivo, el cual actúa como un divisor de tensión. En la práctica las sobretensiones transmitidas capacitivamente hacia el generador no alcanzan valores peligrosos, y basta que existan cables o ductos de interconexión de 20 o más metros entre ambos equipos (transformador y generador) para que su efecto destructor sea reducido sustancialmente. La conexión de capacitancias en el orden de 0.1 J.LF, entre los conductores activos y tierra (no señaladas en la figura 17.41), permite además uná protección de los bushings de los transformadores. Las sobretensiones transmitidas inductivamente, a través de los devanados de los transformadores (conexión Y-A), pueden ser apreciadas de acuerdo con las siguientes relaciones: U¡L

=

1.5(UA) Para transformadores

con el neutro efectivamente

puesto a tierra (rígidamente conectado a tierra). U¡L = 2.0(UA) Para transformadores con el neutro no efectiva" mente puesto a tierra (flotante, inductivo, ete.)

lector experimentado, de elevada capacitancia por la expresión] 7.2t den conducir a sobreteJ La sobretensión n pudiéndose determinar

U2L =u¡L

donde Ux es la tensió! sión, refiriéndose la pri En vista de lo an1

(17.28)

(17.29)

Estos valores máximos de u¡ L (fase- tierra) dependen de la tensión máxima, que se presenta en el lado de alta tensión (conexión en Y), suponiendo, no obstante, que la misma se ve atenuada por el nivel de descarga del pararrayos. Antes de proseguir con la protección de máquinas dinámicas, es conveniente diferenciar lo, siguientes casos: 1. Sobretensión tripolar. El generador no se ve expuesto a mayores esfuerzos dinámicos, ya que la intensidad de corriente circula a través del devanado en A . 2. Sobretensión monopolar. El generador corre peligro de sufrir serios daños, ya que este tipo de contingencia conlleva a una sobretensión entre dos fases, la cual es, por lo general, mucho mayor (200%) que

¡

recurnr a pararrayos comparativa, diferentes protección contra sob

,1

1,

R S T

,.I Fi: un igl tie

retensiones

, con Ll onCXlOn

la que se observa entre fase y tierra. La frecuencia de oscilación de este fenómeno depende d~ la reactancia L y capacitancia C del transformador. El generador, en consecuencia, se ve expuesto a una fuerte oscilación de relativamente larga duración y con un elevado contenido energético.

tierra) ,y :dada en nsi torio :tado en s perm]ncctado pomen-

535

Selección de pararrayos

Al contemplar ahora al generador conectado directamente con el transformador (operación en bloqU'e), las sobretensiones transmitidas inductivamente pasan a denotar también una dependencia de la capacitancia C .del generador y de la inductancia de dispersión del estator, L, al igual que de la capacitancia total C2

(17.27) , el cual ansmJt]'osos, Y :JSentre ¡tructor rden

de

]7.4]),

2 U2L

~ acuer-

] 7.29)

:enslOn

, supo~scarga .mIcas,

= u]

L'

1 + L¡ /L

») que

2

= u¡

L'

1 + Ux/US¡

i¡I ) ¡ í '1

,

ii¡ 1, '[,"

(] 7.29) '[

~

R S T

-- -- -Figura 17 .42a. Protección monofásica de un generador contra sobretensiones de igual nombre. Conexión entre fase y tierra, pero individual.

y

!

'1 "1

donde Ux es la tensión reactiva de corto circuito y US] la tensión de dispersión, refiriéndose la primera al transformador y la segunda al generador. En vista de lo anteriormente expuesto, resulta imperativo en la práctica recurrir a pararrayos esp eciales. En la figura 17.42 se ilustran, en forma comparativa, diferemes casos. El primero de ellos representa el caso típico de I?rotección contra sobretensiones que se originan entre fase y tierra. El se.

ayores través

senos ~nsión

(17.28)

del devanado en Ll del transformador y de su respectiva inductancia L]. El lector experimentado apreciará que al utilizar condensadores de protección de elevada capacitancia, para proteger al transformador, la capacitancia dada por la expresión 17.28 adquiere entonces magnitudes apreciables, que pueden conducir a sobretensiones muy peligrosas. La sobretensión máxima se puede presentar entonces entre fase y tierra, pudiéndose determinar con la ayuda de

s. devana-

:] 7.28)

= C~ + C~'

.;',I .

536

Descargadoresde sobretensiones Instalación

gundo caso abarca también la protección contra sobre tensiones inducidas en forma capacitiva o inductiva, la cual se lleva a cabo conectando al pararrayos entre fase y fase. El tercer caso, finalmente, ilustra la aplicación de pararrayos modernos, que contemplan y consideran los beneficios en un solo dispositivo (por ejemplo de ASEA), de las ventajas de los otros dos casos. La alternativa dada en el caso (c) de la figura 17.42, además de lograr una economía apreciable, tanto en costo como en espacio, ofrece ventajas técnicas. Las tres unidades superiores se encuentran conectadas con cada una de las fases y con la unidad inferior, y ésta, a su vez, las conecta a tierra. De esta manera siempre habrá dos pararrayos conectados entre cada una de las fases y tierra, lo que permite su diseño para solamente 50% de la tensión nominal imperante. Una sobretensión transmitida inductivamente, origina entonces una descarga a través de dos de los pararrayos superiores, mientras que una sobretensión monofásica se descargaría a través de un pararrayos superior y el inferior, que es común a los tres superiores. Esta configuración, en consecuencia, combina el efecto de seis pararrayos autoválvula convencionales, con un ahorro su~tancial de espacio y dinero, como ya se indicó anteriormente. .

En vista de que cualquier falla o daño permanente en uno de los para-

rrayos superiores podría conducir a un severo corto circuito de los bornes del equipo que se desea proteger (motor o generador), resulta imperativo diseñar estos pararrayos con un factor diferente al estipulado en los subcapítulos anteriores. Se recomienda, por ejemplo, que estos pararrayos denoten una tensión nominal superior (en 50%) a la del equipo que deberá ser protegido. Algunos especialistas se inclinan, inclusive, por un margen prudencial de 75% respecto a la tensión nominal del generador. Nota: En vista de que estos pararrayos no tienen por qué derivar a tierra sobretensiones atmosféricas (1.2(50), debido a la conexión en bloque del generador (o motor) con el transformador, su diseño y construcción se concentra en las sobretensiones de maniobra, con tiempos mucho mayores (alrededor de 3000 J1s). Las resistencias no lineales del pararrayos corresponden entonces a un diseño optimizado y más costoso, que las faculta para enviar a tierra corrientes de 500 A por espacio de 2 ms. Estos pararrayos, con un comportamiento térmico optimizado, no pueden ser instalados en líneas aéreas de transmisión, pues en caso de falla (más de 10 kA) serían fácilmente destruidos. Conexiones

del pararrayos

R S T

Figura 17.42b Protecció. dor contra sobretensior inductivamente. Conexió seso

reenganchadores au tar En ambos casos el paJ que se aproximan a tr¡

del dispositivo tiene consecuencia, Otras

indicad. conexione:

tres pararrayos en .Do, tar las sobretensionc! contacto con tierra. ¡ preventivas de este ti: se establece entonces ca también para la pl tencia.

17.13

INST ALACI

La instalación del pa tancia, ya que una iJ comportamiento en 1 a diferentes aspectos. instalación a las part la distancias, etc.

especiales 17.13.1

Existe un sinnúmero de conexiones especiales en las cuales se le encomienda al pararrayos una protección particular. Puede citarse, por ejemplo, la conexión en serie del pararrayos con la línea, cuando se le utiliza para proteger

Conexión

Para poder enviar a tÍ> acompaña a la ond. lado a tierra en form

I

enSlOnes Instalación

537

del pararrayos

das en R

rrayos ararra-

s T

dispoR S T

lograr ~ntajas huna Ta. Dc de las ón no-

Figura 17.42b Protección dor contra sobretensiones inductivamente. Conexión ses.

la desIretenferior,

, comllono

s parales del :iseñar í tulos n una egido. ~ 75%

¡var a , )n

en

j 1

¡j 1

de un generatransmitidas L.l y entre fa-

Figura 17.42c Pararrayos especial, que combina las funciones de los seis (6) anteriores y de diseño convencional, con un sustancial ahorro de dinero y espacio. Los cuatro pararrayos señalados forman una sola pieza.

reenganchadores automáticos (reclosers) y bancos de condensadores en serie. En ambos casos el pararrayos sirve de puente (by-pass) a las sobretensiones que se aproximan a través del conductor. En estos casos la tensión de disparo dd dispositivo tiene que obedecer a criterios especiales y no puede ser, en consecuencia, indicada a través de una simple fórmula. ,Otras conexiones particulares son las correspondientes a la conexión de tres pararrayos en ~, como la señalcida en la figura 17.42b, para cortocircuital' las sobretensioncs entre fases, ya que ninguno de los pararrayos está en contacto con tierra. Algunas líneas aéreas de transmisión demandan medidas preventivas de este tipo. La selección de la tensión de disparo del pararrayos se establece entonces con base en estudios especiales. El mismo criterio se aplica también para la protección de los terciarios de los transformadores de potencia.

"

i~ 4 ,¡ ,,,1 I1 ,"". ';'1 I"¡ ,:,) ,," '",

I~

cons-

mpos es dd :ostopaClo ), no w de

lcnda 1 co:eger

,

17.13

INST ALACION DEL PARARRA VOS

~

La instalación del pararrayos o descargador en el sistema es de suma importancia, ya que una instalación inadecuada puede influenciar fuertemente su comportamiento en la red. Por esta razón debe dispensársele especial cuidado a diferentes aspectos, entre los que figuran: conexión a tierra de la unidad, su instalación a las partes vivas (bajo tensión) y conectadas a tierra, el efecto de la distancias, dc. 17.13.1

Conexión

a tierra

Para poder enviar a tierra, en fOlma t¡fectiva e inmediata, la sobrecorriente que acompaña a la onda viajera, es menester que el pararrayos haya sido instalado a tierra en forma apropiada.

-,

j ,"'

538

Desmrgadores de sobretensiones

Instalació1

¡ Ur

t

Ur

t

id

+ Ue

'.

j

:m'7)';

-

R,

~¡ U,

o

;d"R,

Fig Figura 17.43 Puesta a tierra del pararrayos y transformador por separado. En vista de lo difícil que resulta en la práctica obtener una resistencia de puesta a tierra de bajo valor óhmico, salvo que no se escatimen costos, la caída de tensión en la misma, Ue, se superpone a la tensión residual del pararrayos. Si se cumple Ur + Ue BIL del transformador, entonces es factible que éste sufra serios daños.

pUl

La de me

>

m(

tensión

tensión L,

En las figuras] 7.43, ] 7.44 Y ] 7.45 se ilustran diferentes opciones de conexión a tierra. A la resistencia de puesta a tierra se le ha llamado Re' La protección dada por el pararrayos será efectiva siempre y cuando la caída de

Conex¡ El par: individ

U(t)

de pot L tensió!

r id

I I

I

~

~~¡ R, ?'

para lé (Re> diea u l de ten

distrib malla de aterramiento

U,

I

i ..,..

Figura 17.44 El pararrayos y el transformador se conectan en forma individual al mismo aterramiento de la subestación, el cual generalmente es una m,aIla de apreciable extensión. El pararrayos no le transmite al transformador todo el potencial Ue'

Conex

! I

Esta a

I

m!SlTIé

ilu stra I

I

corto.

wnes

539

Inslalación del pararmyos

I

I/

11111, Ur

r

¡ I

':'

Ur

'1.

1 '1

'1 !

/"fi¡';id

.,

1 ¡

,tIC

! I

V/Q/////////////////////,:

. ,. ,~Iil

Ro

.i~;).i

I.L.I¡ u,

i

i ¡

Figura 17.45 Aterramiento común del pararrayos y del transformador. La puesta a tierra del pararrayos es inmediata, a través de la resistencia Re' La masa metálica del transformador se une entonces galvánicamente al punto de aterramiento del pararrayos. El transformador no s~ conecta individualmente a la malla de la subestación. De esta manera se trata de evitar el incre-

,¡jl

' .

'~'~

.~"!, \,,",; ""...", ~:::~~

mento

de tensión

en la cuba del transfom1ador

por De'

tensión en esta resistencia, Ue, no se le superponga, con elevados valores, a la tensión residual del pararrayos,Ur. Los casos ilustrados ameritan la siguiente discusión:

de La de

Conexión

a tierra individual

El pararrayos o descargador de sobretensiones se conecta a tierra en forma individual, es decir, a una conexión a tierra diferente a la del transformador de potencia que deberá ser protegido por el primero (figura 17.43). La caída de tensión en la resistencia de puesta a tierra se superpone a la tensión residual del pararrayos. Los valores que se obtienen en la práctica pai.a la instalación a tierra en cuestión son, por lo general, relativamente altos (R: > 1O.n), debido ala poca extensión de la malla o configuración eIectródica utilizada para la puesta a tierra. Una intensidad de corriente de derivación de 5 kA provoca una caída de tensión Ue > 50 kV, la cual no es despreciable si se trata de un sistema de distribución de energía.

Conexión a tierra común Esta alternativa de conexión a tierra, ampliamente utilizada en VenezueIa, se ilustra en la figura 17.44. El pararrayos y el transformador se conectan a la misma malla de tierra, pero por separado, utilizando para ello al trayecto más corto. Esto implica en la práctica que la malla de instalación a tierra tiene

.

-'---'."_m

I

:::::..;~,~ ,i'

,. ..,,"I!, ! ",,";".¡ ,,,..',,,c ¡,;;i":::it I",'''''!I!! .-

,,,,,,,.,,'

,.";",,,¡!

:',..,.' ::~;t,,:,t :.:¡)~! ::;:,::~I n,:!:;::!1 ...",¡¡ '1 d 1

,1

I I

5<10

Descargadares de sobretensiones

Instalad.

que extenderse hasta el sitio donde serán emplazados físicamente los pararrayos. Para no alterar el margen de protección del pararrayos es imperativo que su resistencia de puesta a tierra (valor dinámico) no exceda el valor crítico de 5n, medido en el mismo sitio donde será emplazado el dispositivo. Posterionnente, en el capítUlo relativo a aterramicntos, se verá que el valor dinámico de la resistencia de puesta a tierra (medido a alta frecuencia, por ejemplo 25,000 Hz) es sustancialmente superior al valor estático (medido a aproximadamente 100 Hz). La diferencia puede alcanzar hasta 300%. En vista de que el pararrayos conduce a tierra una sobrecorriente, el valor diná-' mico de la conexión a tierra es detenninante.

í

, !

! ,

I

f J

I I I

I I I I ¡

Otra alternativa de instalación a tierra común se indica en la figura 17.45. El pararrayos se conecta galvánicamente, por su extremo instalado a tierra, a la masa metálica (cuba) del transformador. El transformador, a su vez, se conecta a la malla de conexión a tierra de la subestación. Si bien esta alternativa libera al transfonnador de la superposición de las tensiones Ur y Ue, es factible, como lo indica la ilustración, que el transformador se vea sometido a una solicitación conjunta, cuando el pararrayos dispare. Esta alternativa de conexión a tierra es poco común, a pesar de que está contemplada en algunas nonnas europeas.

I

Fi! ele ba

m~ me

Conclusión Lo más expedito es conectar al pararrayos directamente y a través del trayecto más corto a la malla de la subestación. Esta malla, en las sub estaciones convencionales, alcanza una extensión apreciable. Así, por ejemplo, se tiene que una subestación de 230 kV, configuración de interruptor y medio, afecta una área promedio de 12,000 a 14,000 m2. La malla de instalación a tierra denota, en consecuencia, casi la misma extensión, siendo su valor óhmico muy bajo, aun en condiciones de sudo seco. En numerosas mediciones de conexiones a tierra realizadas en Venezuela, se ha podido apreciar que la resistencia de puesta a tierra de estas mallas difícilmente excede los 2 n. En sistemas con elevadísimas intensidades de corriente de corto circuito, que se operen con el neutro rígidamente conectado a tierra, es menester recurrjr a instalaciones a tierra esp eciales, e amo la ilu strada en la fjgura 17.46. Este tipo de conexión se utiliza en el sistema venezolano de 800 kV, de manera que la intensidad de corriente que derivan a tierra los pararrayos no incremente el potencial de referencia de la malla de la subestación por encima de valores no tolerables. Está de más m,encionar que prácticamente todos los equipos de la subestación se encuentran conectados galvánicamente a la misma instalación. Un incremento de la tensión Ue por encima de ciertos valores podría causar serios destrozos dentro de la sub estación. Las sub estaciones encapsuladas en S F 6 ameritan un tratamiento particular, debido a que demandan un área mínima para su instalación. Las sub-

nc

estacio sólo 1: guracié estacié 17.13.

"

Las c< deben

I

",'

p erp o 1 selecc tiene, los eq es fac el sud 1

I

una SI corres

f

tierra,

t

rlOnes

541

Instalación del pararrayos

>araU(t)

ltivo crÍ-

r--r

). eel

¡ ur

lCla, lido En liná-

t

IIJI id

,5ura io a a su esta

1::li

.---malla subestación

Jr Y

malla pararrayos

lSO-

[ter-

Figura 17.46 Conexión a tierra especial del pararrayos en subestaciones con elevadísimas intensidades de corriente de derivación a tierra. La corriente id baja primero, a través de la conexión galvánica, a la malla del estrato terrestre más profundo, la cual por encontrarse más profunda que la otra acusa una mejor dispersión. Esta malla se une entonces por sus extremos a la malla superior de la subestación.

ada

tra,nes ene :eta Tra

estaciones de 230 kV del sistema venezolano, encapsuladas en SF6, ocupan sólo] 2% del área requerida por una subestación convencional de igual confi,guración. Las posibles alternativas de conexión a tierra para este tipo de subestación serán analizadas más adelante.

lCO

co-

17.13.2

S]S-

Conexiones

L1s conexiones del transformador a las partes vivas e instaladas a tierra no de'berían ser muy largas, ya que las caídas de tensión en las mismas se les superpondrían a las tensiones citadas en el subcapítulo anterior. Lamentablemente estas conexiones no siempre se pueden escoger o seleccionar a discreciÓn, pues dependerán del tipo de subestación. Así se tiene, por ejemplo, que en las sub estaciones de diseño vertical, en las cuales los equipos se adosan a las estructuras por falta de espacio a nivel del suelo, es factible que los pararrayos de fin de línea queden a unos 3 O metros sobre el suelo.

to, ter 1c6. de

'os ~n" lte

te os

En la figura 1 7.4 7 se ha ilustrado la conexión típ ica de un pararrayos en una subestaciÓn. El conductor, generalmente desnudo, que lo une a la fase correspondiente, denota la longitud AB, mientras que el que lo pone o lleva a tierra, la longitud CD; éste se encuentra aislado, para una tensiÓn nominal de 5

tib-

~'--"-

'-""-'-' .-

542

Descalgadores de sobretensiones

Instalaci

U(t)

-LAS.di/dt

A1 !Id

BI;I U, e 11 Le D.di/dt

/(

A

l\

"",/1/,

Re

Figura 17.47 Conexión en una subestación.

()

!

¡

,

típica

¡ ! I I I ¡ 1 I I

de un pararrayos

.

di

+ Ur + LCD.d't

+ Ue

A

J

¡'1

se encuentra protegiendo a un transformador de potencia, como el ilustrado en la figura 17.48, entonces la tensión máxima que verá el bushing del transformador, vendrá dada por di

que, ce

J

Si el pararrayos

-

L

j

to o registro digital. La energía requerida por este dispositivo para cumplir con su función se obtiene de la misma intensidad de corriente de derivación.

T

tr

II

15 kV, ya que el pararrayos acciona, al disparar un disposiÜvo de recuen-

U~ - LAB.cit

tI

¡ I

IJ S te de ]

(J7.30)

asum 1I utiliza

I

la sigu

Si esta tensión logra exceder al nivel básico de aislamiento del transformador (BIL), entonces éste se ve expuesto a serios daños. Esta situación puede presentarse, con más frecuencia de la que se sospecha, en sistemas de tensiones intermedias. El siguiente ~jemplo arroja más luz sobre este part icular. Sea un sistema de 69 kV, en el cual se desea proteger los transformadores de potencia contra ondas viajeras de 20 kA con tiempos de formación de cresta de J kA/p.s.

I es dec

Ejemplo.

La resistencia de puesta a tierra del pararrayos nes las siguientes longitudes:

denota 6D., y las conexio-

--

-

s comer obsen te COI' mente

mes

543

Instalación del pararrayos

A

¡

B Ur

e id

~

o

-Figura]

7.48

ve expuesto

¡ u, Ca ída de tensión un transformador

protegido por un pararrayos en la ilustración.

tramo AB tramo CD

= =

to tal a ]a cual se de potencia

en la forma

al ser

señalada

S metros ] O metros

La tensión residual del pararrayos se asumirá, para simplificar que, como Ur = 276 kV. Así pues, la tensión total U~ vendrá dada por:

:n-

)n

este en~-

:n-

q. = LAB . 1000+ 276,000 + ~D

uc

. 1000 +

R(.

. 20,000

(V)

Se supone que el parar{ayos envía a tierra toda la intensidad de cOlTiente de la onda (20 kA). La inductancia L, de los tramos AB y CD, la podemos asumir como 1 J.1H/m, \'alor frecuente para las guayas de cobre y aluminio ulil,izadas en instalaciones a la intemperie. Nuestra tensión adquiere entonces la ~'iguiente magnitud

O)

[-

m

Ur

le

=5

X 1,000 + 276,000 + 10 X 1,000 + 6 X 20,000

(V)

[-

es decir, 5-

u~ = -1-]1,000 voltios

e

---~

Si se compara este \-,t!oj"'con el ni\'el básico de aislamiento de un sistema comercial de 69 kV, el cual pucde oscilar entre 350 y 650 kV, segÚn el caso, se observa que el resultado obtenido es de cu idado, inclusive para las relativamente cortas distancias de conexiÓ11 de este ejemplo (5 y 10 metros, respectivamente).

-

~.._---._------_._--.-------..-----_.-------

l.

544

Descargadores de sobrelensiolles

17.13.3

Comporl{,

Efecto de la distancia

El efecto de la distancia (Distanee effeet) es de importancia cuando se desea determinar los diferentes perfiles de tensión, por ejemplo dentro de una subestación. En vista de que el pararrayos no dispara de inmediato, pues necesita un tiempo finito para ello (figura 17.5), la onda viajera prosigue su desplazamiento. A una distancia Q], donde por ejemplo se encuentra un transformador de potencia, el incremento de tensión determinado por la distancia en cuestión estará dado por

SI

algu na,

UBG = La

'. UTr'

y en vista de que v

= QJ It,

= Ur + 2'S-tl

tiene CI sab er:

(17.31)

, se obtiene l

UTr- = Ur + 2'S (2J Iv)

(J7.32) Er

I

Este importante ción:

efecto puede apreciarse

en el ejemplo expuesto

lí n ea y

a continuaI

UA Ejemplo:

Sea un sistema de transmisión

de 230 kV, con el neUtro efectivamente puesto a tierra, cuya impedancia de onda asciende a Z = 400n. Una de las líneas que llegan a la subestación (figura anexa) se ha visto afectada por una falla, y a través de la misma se desplaza una onda de corriente como la indicada en la ilustración. El transformador de potencia se protege con un pararrayos cuya tensión residual, para el presente caso, asciende a 485 kV. Las'conexiones y distancias involucradas en el comportamiento del pararrayos se indican igualmente en la ilustración.

Cc sión en despub Cc igual a do uso A:

Solución

por el I bles, cc

En primer lugar se determinará, para los valores dados, la cal da de tensión total en el pararrayos y sus conexiones (UBG ), la cual viene dada por

17.14

I I I I I lA

2~s

Q¡

I

I I

,

B

=400H

1

Z =400n

o

H i .

J---Ur=

Q¡ Q2

Des de

-1

-

I

Z

--1

-t-I

Q2

1

= 40 metros = 70 metrOS

BD= B metrOS (1 "Hlm) EF= 14 metrOS (1 ~H/rn)

.

'd

,

i

4B5 kV 1111

E

1,11

1

-J;,

-

g~

G id

J.

disposj propó~ los sigl p ,Clislamj - cIemer obscrv tulo c( alturas silicio.

~es

545

Cornportárniento errático

di U BG

~a b-

= LB D.

dt

di.

+ Ur +

Suponiendo que la pendiente alguna, se obtiene

la a-

a:n

LE F

.dt

+

Id

. Rd

de la onda de corriente

no sufre distorsión

UnG = 8X(5.6j2)X103 + 485X103 + 14X(5.6j2)X103 + 5.6X3X103

= 563.40

La tensión

1)

en el bushing del transformador,

tiene considerando sab er: U~

el efecto

=

kV

de la distancia,

referida a tierra, U~, se ob-

dado por la relación

17.32, a

= UBG + 2.S(Q¡ jv) = 563.4 + 2X1l20X(40j300) = 862.07 kV

~) En fonna análoga se obtiene para el punto A, correspondiente línea y comienzo de la sub estación

1-

UA =UnG + 2.S(Q2jV)=563.4+

2X1l20X(70/300)=

al fin de

1086.07 kV

~

,l.

Con este sencillo procedimiento podrían obtenerse los perfiles de tensión en los diferentes puntos de la sub estación, estén éstos ubicados antes o después del pararrayos. Cabe señalar, finalmente, que la pendiente de la tensión se consideró igual a 1120 kV/¡J s. Más adelante se desarrolla un ejemplo completo haciendo uso de la caracterí stíca no lineal del pararrayos. Asimismo, es interesante destacar que los incrementos de tensión, dados por el denominado efecto de la distancia, pueden alcanzar valores considerables, como lo ha ilustrado este sencillo pero valioso ejemplo.

o .e )e ~l

n ,

1 7.ll4 -

COMPORTAMIENTO ERRATICO

Desde un puma de vista probabilístico, el pararrayos, al igual que todos los dispositivos de protección, denota un comportamiento errático. Si bien el propósito no es discernir sobre dicho comportamiento, es conveniente hacer 'los siguientes comentarios: Para tensiones de servicio de hasta 100 kV se acostumbra diseñar el aislamiento del sistema en fOlma plena, es decir, para un 100% ~n todos los elementos que integran al mismo. Para tensiones mayores, sin embargo, se observan los aislamicntos dc paso cscalonado, quc serán tratados en el capítulo corrcspondicntc a la coordinación dd aislamiento. No obstante, a estas alturas es convcnicntc considcrar al cxplosor de los pararrayos de carburo de silicio. En la figura 17.49 sc indic~, por consiguiente, cómo para un determi-

"-'-""-"~

o..

~.~....'_H

.

.M.O ..-'

_0-

546

Descargadores de sobretensiones P, ,P2

100%

---

p, " v(%¡

Figura 17.49 Probabilidad función del aislamiento v.

de disparo

, ¡ !

II

p en

I

nado escalonamiento del nivel protector puede averiguarse la seguridad del aislamiento que se ha de proteger, en función del valor límite del mismo. Un explosor de coordinación, con probabilidad de descarga p l' se conecta conjuntamente con un pararrayos cuya probabilidad de disparo sea P2' El primero representa, en comparación, al nivel de aislamiento, mientras que el segundo al nivel de protección. La probabilidad de que el pararrayos

no dispare viene dad;! por (1 - P2)' El producto W = (1 - P2) Pies entonces la probabilidad de que la descarga ocurra en el aislamiento, dado en el ejemplo por el explosor de coordinación. La figura 17.50 representa a dicho producto como curva, para dos separaciones distintas entre nivel de protección y nivel de aislamiento. Para una separación creciente entre ambos niveles la probabilidad de falla disminuye, lo que en sí concuerda con las experiencias prácticas. w%

I

J !

f j

I! ~ ~

"

\ '1 ~

1

j ¡ , ¡ .1

I ,t

í J

fI ,¡ ¡

¡I

¡ 1 J 1 i

Figura 17.50 Probabilidad de descarga W en función del diseño de aislamiento.

mIsI , mas tes I

dedi el si:

1

1

u%

En J

i I 1

de 1

men man plan (act ces mer al S crac que luga el si luga

,

18.1

I ~ (

Pare ecué

!

t j

1