COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO

Durante mucho tiempo, las distancias disruptivas en los pararrayos de carburo de silicio han sido la mejor manera de derivar todo tipo de sobretensiones en los sistemas eléctricos. Durante las dos o tres últimas décadas, sin embargo, estos dispositivos, de comportamiento bastante impredecible, han dado paso a los pararrayos basados en varistores de óxido de zinc (ZnO).

Estos pararrayos constituyen la protección principal de los sistemas de aislamiento actuales. Gracias al buen control de las propiedades de sus resistencias de película de óxido metálico (MO), la protección de estos pararrayos es mucho mejor que la obtenida con las tecnologías anteriores.

Los pararrayos basados en resistencias tienen que enfrentarse con sobretensiones que pueden ser considerables y que tienen su origen en acontecimientos de gran importancia, como las descargas del rayo o las corrientes transitorias de maniobra.

El trabajo del pararrayos consiste en desviar a tierra estos impulsos instantáneos de corriente, de modo que los costosos equipos no sufran daños.

También se ha de prestar atención a la ubicación del pararrayos. Los puntos de reflexión de la red son importantes, ya que las sobretensiones de corriente pueden reflejarse y con ello adquirir mayor poder destructor.

Otro factor crítico es la pendiente de la onda. Las ondas con pendiente pronunciada se reflejan más fácilmente y, dado que el pararrayos sólo puede controlarlas cuando se producen en sus proximidades, limitan la longitud efectivamente protegida en las líneas.

Actualmente están surgiendo nuevos enfoques para la coordinación del aislamiento, en los cuales el pararrayos se combina con los diversos equipos para crear nuevas configuraciones de diseño. Entre estas soluciones están el aislamiento con polímeros flexibles y modernas resistencias de MO [1, 2]. Una aplicación típica, que proporciona una protección eficaz de líneas, combina un pararrayos y un aislador suspendido, como es el caso de la familia de productos PEXLINK de ABB [3].

Ya se han propuesto aplicaciones similares para otros equipos, por ejemplo, los seccionadores [4], los transformadores [5] y los interruptores automáticos. Estos sistemas ofrecen nuevas posibilidades económicas para los sistemas de Media y Alta Tensión.

Coordinación del aislamiento En un sentido amplio, la coordinación del aislamiento comprende todas las medidas tomadas para evitar los daños causados por las sobretensiones que aparecen en un sistema eléctrico. Así lo subraya la definición de coordinación de aislamiento dada por CEI: ’la correlación entre el aislamiento de los equipos y las características de los dispositivos protectores, de modo que el aislamiento quede protegido contra las sobretensiones’.

En este contexto, los pararrayos constituyen tradicionalmente la ’primera línea de defensa’. Los pararrayos de óxidos metálicos (MO) poseen excelentes características de protección, como muestra el ejemplo de la figura. La característica corriente-tensión, altamente lineal, tiene su origen en diversos fenómenos que tienen lugar en las superficies ínter granulares microscópicas del semiconductor cerámico [6]. Para la aplicación de los pararrayos de MO es necesario conocer determinados parámetros fundamentales para las características de protección:

Tensión operativa continúa máxima Uc (MCOV): Esta tensión se

selecciona de modo que permanezca suficientemente por debajo del punto de cambio brusco de la característica, punto en el cual las pérdidas de potencia son bajas, la mayor parte de las corrientes son puramente capacitivas y está garantizada la continuidad funcional del aislamiento.

No obstante, el pararrayos puede utilizarse durante un tiempo limitado (segundos, horas) con elevadas sobre tensiones temporales. La tensión de corriente alterna Ur especificada por CEI para ³10 s [7], por ejemplo, es típicamente 25 % mayor que Uc, siendo la cifra real dependiente del diseño térmico del pararrayos.

Tensión residual o nivel de protección Up para impulsos de corriente

normalizados en el intervalo que va desde <100 A hasta >100 KA. A menudo

según el valor eficaz) y se hace referencia a éste como índice de protección R del pararrayos.

Estos impulsos simulan sobretensiones críticas, tales como:

- Las descargas eléctricas más frecuentes (impulso de tensión nominal de IN = 2,5 – 30 KA, 8/20 µs, R » 1,7–2,2).

- La infrecuente descarga eléctrica directa en un pararrayos (impulso de alta tensión de 65–100 KA, 4/10 µs, R » 2,5–2,9).

- Las operaciones de maniobra en un cortocircuito (corrientes de impulso de maniobra de ~125–3000 A, 30/60 µs, R » 1,5–1,8).

- Las tensiones residuales reales dependen principalmente de las amplitudes de corriente y, en menor medida, de la pendiente del impulso.

Para seleccionar el pararrayos adecuado es necesario conocer las corrientes de impulsos previstas, la resistencia de aislamiento de los componentes eléctricos del sistema y las condiciones de puesta a tierra y de las sobretensiones temporales.

Se define una intensidad IN de coordinación de impulsos para la actividad de impulsos prevista; en la mayor parte de las redes ésta tiene un valor típico de 10 KA, pero es posible elegir hasta 40 KA para los niveles de tensión más elevados.

En la figura se resumen los niveles de aislamiento que las normas actuales exigen para las diferentes tensiones de sistemas. Esta cifra sólo ofrece los valores mínimos especificados por CEI, ya que los valores BIL, más elevados, para una determinada tensión entre fases simplemente reflejan diferencias en los márgenes de seguridad.

Con fines comparativos se proporcionan también los niveles de protección de impulsos que resultan típicos para los modernos pararrayos MO con buenas condiciones de puesta a tierra, que permiten el valor Ûc = 1 pu (en las redes sin una puesta a tierra sólida, el valor Uc puede incrementarse hasta el valor de Um).

En la figura se ven claramente los amplios márgenes de seguridad actuales entre la resistencia del aislamiento exigida para los equipos y la protección ofrecida por los pararrayos modernos. Esta afirmación es particularmente cierta para las tensiones más bajas del sistema (hasta 170 kV).

Hace muchos años que se dispone de pararrayos acreditados, con niveles de protección bajos, y ya ha llegado el momento de reconsiderar la práctica actual de la coordinación del aislamiento. Los recientes progresos de la tecnología de materiales han abierto las puertas a nuevas posibilidades, no sólo para diseñar aislamientos menos sobredimensionados sino también para ubicar los pararrayos en otros puntos de la red que ofrece.

La conclusión lógica es que la mejor protección se conseguirá combinando estrechamente el pararrayos y el equipo o incluso integrando aquél en éste.

1. Pararrayos de línea alrededor de una serie de aisladores de 400 kV. A la izquierda, en el extremo de alta tensión, se encuentra un desconectador.

2. Características de protección de un moderno pararrayos de tipo de distribución Û/Uc Tensión residual Up (máximo), normalizada según el valor

eficaz de tensión operativa continua máxima Uc Û/Ûc Tensión residual Ûc (máximo), normalizada según Uc (máximo) I Intensidad.

3. Nivel de aislamiento básico (BIL) exigido por las normas para el ensayo de las estructuras de aislamiento para diferentes tensiones de sistema. Los modernos pararrayos ofrecen niveles mucho más bajos de protección contra impulsos (LIPL). U Nivel de aislamiento básico (1 pu = Ö¯ ¯ ¯ 2xUm/Ö¯ ¯ ¯ 3) Um

Tensión efectiva entre fases.

4. Arriba: Interacción del pararrayos de sobretensiones con la onda entrante U

(t) Abajo: Cálculo de la longitud L de la protección con reflexión de onda total.

La distancia de protección aumenta al reducirse la tensión residual Up pero disminuye cuando se hace mayor la pendiente S de la onda. Para descargas eléctricas a distancia es típica una pendiente en torno a 1.200 kV/µs.

L Alcance de protección, en m.

UBIL Nivel de aislamiento básico del equipo (por ejemplo un transformador), en kV. Up Nivel de protección del pararrayos, en kV.

S Pendiente de la onda de sobretensión (aprox. 1.200 kV/µs). V Velocidad de propagación de la onda.

Línea aérea, aprox. 300 m/µs. Cable, aprox. 150 m/µs.

Tabla 1: Comparativa de diversos pararrayos. Los bajísimos niveles de protección de los pararrayos con carcasa de polímero (tipos MWK y POLIM-D) dan como resultado mejores distancias de protección.

5. Seccionador-fusible. El aislador de poste de la izquierda posee un pararrayos MWK integrado; el aislador de la derecha es de tipo convencional.

46. Pararrayos-aisladores de línea en suspensión, combinando el soporte