Sección 6 de la norma IEEE C62.22, Protección de Sistemas de Distribución.

Antes de iniciar con el análisis de esta sección de la norma se deben definir algunos conceptos que serán utilizados con frecuencia en el capitulo, el primero de ellos corresponde a la máxima tensión de operación que puede ser aplicada de manera continua o permanente entre las terminales del pararrayos, esta se trata en la norma de la IEEE como MCOV por sus siglas en inglés, la IEC por su parte se refiere a esta misma como Uc, otro termino importante dentro del siguiente capítulo corresponde a la tensión

nominal permisible entre las terminales del pararrayos y para las cuales fue diseñado, en la norma se hace referencia a este como duty cycle voltage, y es equivalente al Uren la

norma de la IEC, por último se tiene la sobretensión temporal o TOV y representa la tensión por encima del MCOV a la cuál el pararrayos puede operar para una determinada duración de tiempo, más adelante se definirá mejor cuales son sus limitaciones y como debe ser comparada con el TOV presente en el sistema.

Se tiene entonces que, en la sección 6.1 “Introduction”, como su nombre lo indica se da una pequeña introducción de lo que son los rayos como los principios básicos utilizados para la protección de líneas de transmisión aplican también para la distribución haciendo diferencia en que por lo general las líneas de distribución no cuentan con hilo guarda por lo que hay que tomar en cuenta algunas consideraciones. También se presenta un procedimiento para la estimación del margen de protección, esto basados en la Densidad de Descargas Atmosféricas GFD y en el valor de corriente de cresta para condiciones normales. Además hace referencia a como el costo del equipo de protección de una líneas de distribución es significativamente inferior

comparado con la protección de una subestación pero si se toma en cuenta que en cantidades el equipo a utilizar es bastante, resulta una cantidad a considerar y como resulta más factible seleccionar pararrayos que puedan ser utilizados en situaciones similares, más allá de realizar estudios para situaciones independientes.

En la sección 6.2 “General Procedure” se establece el procedimiento general a seguir y las consideraciones a tomar en cuenta en la selección de pararrayos para líneas de distribución. Básicamente dice que el procedimiento general consiste en determinar primero cual es el MCOV de un pararrayos apropiado de tal forma que pueda ser utilizado en todos los lugares similares del sistema de distribución a protegerse. Además, la capacidad de TOV del pararrayos no debe ser superado en magnitud ni duración (en el total de ciclos acumulados) por cualquier otro TOV del sistema donde el pararrayos vaya a ser colocado. En pararrayos para sistemas de distribución, el TOV generalmente se basa en la máxima tensión fase a tierra que puede ocurrir en las fases no falladas durante una falla monofásica a tierra.

Otro punto que se menciona en el procedimiento general es la coordinación de aislamiento que se discute posteriormente en el punto 6.5 de la norma y que dice de manera general que para tensiones hasta 15 kV, la coordinación del aislamiento de los equipos conectados no ha sido rigurosamente estudiada porque el margen de protección (MP) entre el BIL estándar de los equipos y las características de protección de pararrayos de distribución modernos es sustancialmente superior al 20%. La coordinación del aislamiento se convierte en una consideración primordial en sistemas de distribución con tensiones superiores, porque se reduce el MP (particularmente cuando se utilizan valores reducidos de BIL). Además la coordinación del aislamiento también puede ser importante para la protección de la línea y para la protección de los

sistemas de distribución subterránea, estos se detallarán mejor más adelante en el presente capítulo.

Un punto importante dentro de esta sección corresponde al 6.2.1 “ Installation  practices that jeopardize insulation coordination” que menciona aquellas prácticas de

instalación que ponen en peligro la coordinación de aislamiento.

o Distancias largas entre la línea y la terminal de línea del pararrayos y entre la

terminal de tierra del pararrayos y la carcaza del equipo. (ver 6.7.1)

o Largas distancias de separación entre el pararrayos y el equipo de protección

(ver 6.7.2)

o Fallas de interconexión entre los pararrayos y las terminales de tierra de los

equipos. (véase 6.7.4)

En el punto 6.2.2 se mencionan todas aquellas aplicaciones que requieren consideraciones especiales, ya sea con respecto a desempeño de los pararrayos o con respecto a requisitos de protección, de estas se hablara más adelante en el presente capitulo.

o Los sistemas sin aterrizar. o Los bancos de condensadores. o Los interruptores, reclosers, etc. o Los reguladores de tensión. o Los circuitos subterráneos. o Atmósferas contaminadas.

En la sección 6.3 “Selection of arrester ratings” se inicia con la selección del índice del pararrayos a utilizar. En primer lugar se menciona que los sistemas protegidos por pararrayos de distribución generalmente son:

• En estrella o delta de tres hilos, alta o baja impedancia conectados a tierra en la

fuente.

• Cuatro hilos multi-aterrizados en estrella.

La correcta aplicación de pararrayos de óxido metálico en sistemas de distribución requiere el conocimiento de dos cosas:

• La tensión máxima de operación normal del sistema.

• La magnitud y la duración de los TOVs en condiciones de funcionamiento

anormales.

Esta información es comparada con los índices de MCOV y la capacidad de TOV del pararrayos. Se debe tener cuidado de no sustituir pararrayos de silicio de carburo con descargadores de óxido metálico que tienen el mismo ciclo de servicio a tensión nominal sin primero analizar la magnitud esperada y la duración de TOVs.

Tabla 3. 1 Tensiones comúnmente aplicados a pararrayos del tipo MOV [6]

Cuatro Hilos Tres hilos Tres hilos Multiaterrizado, Estrella ja Impedancia a Tie Alta Impedancia a Tierra

2400 2540 3(2,55) 4160Y/2400 4400Y/2540 3 (2,55) 6 (5,1) 6 (5,1) 4260 4400 6(5,1) 4800 5080 6(5,1) 6900 7260 9(7,65) 8320Y/4800 8800Y/5080 6 (5,1) 9 (7,65) 12000Y/6390 12700Y/7330 9 (7,65) 12 (10,2) 12470Y/7200 13200Y/7620 9 (7,65) ó 10 (8,4) 15 (12,7) 13200Y/7620 13970Y/8070 10 (8,4) 15 (12,7) 13800Y/7970 14520Y/8388 10 (8,4) y 12 (10,2) 15 (12,7) 13800 14520 18(15,3) 20780Y/12000 22000Y/12700 15 (12,7) 21 (17,0) 22860Y/12000 22000Y/12701 16 (12,7) 21 (17,0) 23000 24340 30(24,4) 24940Y/14400 26400Y/15240 18 (15,3) 27 (22,0) 27600Y/15935 29255Y/16890 21 (17,0) 30 (24,4) 34500Y/19920 36510Y/21080 27 (22,0) 36 (29,0)

Tensión Nominal Tensión Máximo Tensión del Sistema

(Vrms)

Tensiones Nominales de Pararrayos (MCOV) comunmente aplicados (kV rms)

La tabla 3.1, extraída de la norma, brinda tensiones nominales de pararrayos de óxidos metálicos comúnmente aplicadas en sistemas de distribución, mientras que en la

tabla 3.2 se muestran las características de protección de pararrayos de óxido metálico de distribución.

Tabla 3. 2 Características de protección típicas para pararrayos [6]

5kA 10 kA 5kA 10kA 3 2,55 11,2 - 17 13,5 - 17 10,2 - 16 9,1 - 16 6 5,1 22,3 - 25,5 26,5 - 35,3 20,3 - 24 18,2 - 25 9 7,65 33,5 - 36 26,5 - 35,3 30 - 33,5 21,7 - 31,5 10 8,4 36 - 37,2 29,4 - 39,2 31,5 - 33, 24,5 - 35 12 10,2 44,7 - 50 35,3 - 50 40,6 - 44 32,1 - 44 15 12,7 54,0 - 58,5 42,0 - 59 50,7 - 52 35,9 - 52 18 15,3 63 - 67 51,0 - 68 58,0 - 60,9 43,3 - 61 21 17 73 - 80 57,0 - 81 64,0 - 75 47,8 - 75 24 19,5 89,0 - 92 68,0 - 93 81,1 - 83 57,6 - 83 27 22 94,0 - 100,5 77,0 - 102 87,0 - 91,1 65,1 - 91 30 24,4 107 - 180 85,0 - 109,5 94,5 - 99 71,8 - 99 36 29 125 99,0 - 136 116 83,7 - 125

FOW Tensión de Descarga (8/20 µs)

Niveles de Protección - Rangos de la Industria Rangos de Tensión

(kV-rms) Tensión

Nominal MCOV

La sección 6.3.1 nos habla de los valores MCOV de los pararrayos, se debe ser consiente en que los pararrayos de óxidos metálicos están continuamente expuestos a altos niveles de tensión de fase. El valor MCOV para un pararrayos es el máximo valor designado (rms) de tensión que puede ser aplicado sin interrupción entre los terminales del pararrayos. En consecuencia, el índice MCOV debe ser al menos igual a la tensión máxima de funcionamiento continuo esperado en el lugar donde el pararrayos se va a colocar.

Pasando a la sección 6.3.2 se explica la Sobretensión Temporal (TOV) y como los pararrayos contra sobretensiones son capaces de operar por períodos limitados de tiempo sobre su MCOV. La cantidad de sobretensión que un pararrayos puede tolerar con éxito, depende de la longitud de tiempo que existe dicha sobretensión. Los fabricantes pueden describir la capacidad de sobretensión de los pararrayos en forma de una curva que muestra sobretensión temporal en función del tiempo permitido. Una curva típica se muestra en la figura 3.3 (Estas curvas son sensibles a la temperatura

Figura 3. 3 Curva típica de TOV para un pararrayos sin explosores MOV

Para garantizar que la capacidad TOV del pararrayos no se supera, el TOV máximo del sistema debe ser determinado, así como el tiempo máximo que el sistema opera en ese estado anormal. Este estado de tensión anormal puede tener múltiples causas, por ejemplo: sobretensiones en una fase no fallada durante una falla monofásica a tierra, transitorios de conmutación y ferroresonancia.

En el caso de la sobretensión debida a una falla monofásica a tierra, la norma permite multiplicar la tensión de línea máxima de operación (fase-fase) por el coeficiente de aterrizamiento (COG). En la figura 3.4 se detalla el cálculo tomado de la norma. Se debe señalar que dicho método se basa en la utilización redes de secuencia e impedancias equivalentes vistas desde el punto donde ocurre la falla.

Figura 3. 4 Cálculo del COG.

Donde:

R0 Resistencia de secuencia cero.

R1 Resistencia de secuencia positiva.

R2 Resistencia de secuencia negativa.

X0 Reactancia de secuencia cero.

X1 Reactancia de secuencia positiva.

Durante este tipo de falla, el pararrayos se somete a un TOV cuya duración está en función de los tiempos de funcionamiento de los relés de protección y dispositivos de interrupción de falla. El MCOV del pararrayos seleccionado debe ser lo suficientemente alto para que ni la magnitud ni la duración de la TOV relacionada con la falla excedan la capacidad del mismo.

En la sección 6.3.2.1 “ Aplicación de pararrayos en sistemas de distribución” se hace referencia al uso de la curva TOV, donde básicamente se toman dos valores, según la sección 5.3.2 y tomando como ejemplo la figura 3.5, de la curva superior se puede obtener el valor del tiempo permisible al cual puede ser sometido el pararrayos para un MCOV determinado, mientras que la curva de abajo muestra lo mismo pero toma en cuenta que el pararrayos puede haber absorbido energía del sistema previo a la sobretensión.

Figura 3. 5 Ejemplo de curva TOV típica, con energía previa absorbida del sistema

Para los sistemas de distribución, el problema habitual no es la falta de datos, sino más bien un gran número de lugares, sobretensiones y duraciones distintas. Estas diferencias deben tenerse en cuenta para determinar el tipo de pararrayos a utilizar en el alimentador completo.

Además dice que la ferrorresonancia es una preocupación particular sobre los sistemas de distribución y aplicaciones propensas a esta pueden requerir atención de

pararrayos. Cuando los datos exactos de sobretensiones y sus respectivas duraciones se encuentren disponibles, estos datos se pueden comparar con la curva estándar para seleccionar el pararrayos.

Si se presentaran fallas en los pararrayos atribuibles al TOV, la selección de la tensión nominal superior siguiente puede resolver el problema, o en casos extremos, un estudio del sistema puede garantizar determinar el TOV en amplitud y duración en las locaciones problemáticas.

En cuanto a la aplicación de pararrayos en generadores de distribución, la sección 6.3.2.2 menciona que se pueden producir sobretensiones cuando el generador y una parte de la red de distribución se separan de los clientes. Esto se conoce como “islanding” o isla. En el pasado esto no había sido un problema, en parte gracias a que las unidades de generación que estaban en funcionamiento eran pocas y la mayoría eran muy pequeñas. Como el uso de generadores a nivel de distribución ha aumentado así como su tamaño, la generación de sobretensiones podría convertirse en un problema.

Los estudios sugieren que los pararrayos sobreviven la mayor parte de las veces a estas situaciones si el sistema de protección puede desconectar el generador del sistema en unos pocos segundos. Los esquemas de protección de fallas utilizados en el lugar de generación se esperan que detecten la condición de “isla” y se de la desconexión del sistema en cuestión de unos segundos. En los sistemas con una gran generación en comparación a la carga posible, las compañías pueden considerar el uso de pararrayos con nivel mayor.

En la sección 6.3.3 se hace una diferencia entrenormal duty vsheavy duty donde se habla de que la diferencia en la utilización de uno u otro termino es más bien subjetiva y queda a criterio de quien lo utiliza, sin embargo para entender mejor la

diferencia se presenta una tabla con las diferencias en las pruebas de diseño para pararrayos normal duty y heavy duty. (IEEE Std C62.11-1993).

Tabla 3. 3 Requerimientos en las pruebas para los diferentes tipos de Pararrayos. [6]

Tipo de Prueba Servicio Normal Servicio Pesado Corriente de gran amplitud 65 kA (4/10µs) 100 kA (4/10µs)

Corriente de larga duración 75 A x 2000 µs 250 A x 2000µs

Impulso de corriente 5 kA (8/20µs) 10 kA (8/20µs)

Ya ahora de la tabla se puede deducir que el pararrayos para uso pesado o heavy duty puede descargar una energía mayor que aquellos de uso normal, por lo que los primeros se deben utilizar cuando se quiera soportar una descarga mayor a lo normal. Por ejemplo, altas energías debidas a tormentas en lugares con un alto número anual de días de tormenta, donde la caída de rayos son más frecuentes y puede haber un mayor número de descargas por encima de 65 kA.

Este tipo de pararrayos también podrían ser elegidos para que se desempeñen en situaciones de altos aumentos repentinos de energía, como al desconectar grandes cargas capacitivas. Para estos casos, otras clases de pararrayos pueden ser consideradas. La corriente total de un rayo es poco probable que sea descargada por un único pararrayos y la cantidad de corriente descargada por este depende de la distancia entre el impacto y el pararrayos, así como de la presencia de otros pararrayos, y el nivel de aislamiento de la línea.

Finalmente, la norma recomienda que antes de seleccionar cualquier supresor de picos o pararrayos, todas las características, incluyendo los aspectos económicos, deben ser analizados.

En la sección 6.4 “ Distribution system overvoltages” ya se habla propiamente de las sobretensiones en líneas de distribución, y dentro de las principales sobretensiones descritos en la norma están las que se mencionan a continuación:

Sistemas de cuatro hilos, en estrellas y multi-aterrizados (6.4.1).

En estos casos se menciona que el MCOV del pararrayos debe ser igual o superior a la tensión máxima continua que será aplicada al pararrayos. Como alternativa al cálculo de las tensiones de fase a tierra durante fallas a tierra, la norma propone el suponer un TOV, en las fases no falladas, que supera la tensión nominal de fase en la línea por un factor de 1.25. Dicho factor sería utilizado cuando se tiene una baja resistencia entre la línea y tierra, menor a 25Ω, y siempre y cuando el calibre del neutro

sea al menos el 50% del conductor de fase, de no ser así el factor aplicado será mayor. Muchas compañías utilizan para este cálculo un factor de 1.35.

Sistemas de tres hilos, aterrizados y de baja impedancia, aterrizados solamente en la fuente. (6.4.2)

Al igual que en el caso anterior, el MCOV del pararrayos debe ser igual o superior a la tensión máxima continua que será aplicada al pararrayos. Sin embargo para la estimación de la tensión de fase a tierra durante fallas monofásicas a tierra, la práctica general según la norma, consiste en asumir un TOV en las fases no falladas de 1.4 p.u. En cuanto a la duración máxima de este TOV tiene que ser determinada y se debe examinar la curva para asegurarse de que el pararrayos puede soportar el TOV durante la falla.

Si el sistema se aterriza a través de una impedancia, el aumento en la tensión en las fases no falladas fácilmente podría superar este 1.4 p.u. y por lo tanto deberá ser calculado. Al ocurrir un fallo en la instalación del pararrayos, la tensión en las fases no afectadas puede aumentar en el orden de 80% debido a la resistencia de la tierra en el punto de la falla. Los valores para ambas fases deben ser calculados desde la tierra, a través de la resistencia y podría resultar en valores desiguales.

Cuando existe la posibilidad de un “backfeed” en una parte del circuito, la cual ha sido desconectada de la fuente a través de dispositivos como transformadores o condensadores que se encuentran conectados en esa parte del circuito, el TOV debe asumirse como igual a la máxima tensión de línea. En estos casos se puede suponer que la duración de esta condición se encuentra dentro de la capacidad del pararrayos. Si la duración no pudiera ser determinada, el pararrayos debe seleccionarse de manera que su valor de MCOV sea igual o superior al máximo nivel de tensión de línea en el sistema. Sistemas de tres hilos, alta impedancia de tierra, o sistemas conectados en delta. (6.4.3)

Nuevamente el MCOV debe ser igual o superior a la tensión máxima continua que será aplicada al pararrayos. Durante una falla monofásica a tierra, la tensión de fase en las otras dos fases, alcanzará valores equivalentes a la tensión de línea. Debido a que los valores de la corriente de falla son extremadamente bajos, los esquemas de protección pueden permitir que estas fallas persistan un tiempo considerable. Como consecuencia, la practica general es elegir un pararrayos cuyo MCOV sea superior al máximo nivel de tensión de línea en el sistema.

Un MCOV podrá ser utilizado en donde un relevador limite la duración de la falla, pero el pararrayos debe tener la capacidad de soportar la tensión de línea durante el máximo tiempo requerido para limpiar la falla.

Sobretensión causada por efecto de la ferrorresonancia. (6.4.4)

Sobretensiones ferrorresonantes se producen cuando una inductancia con núcleo ferromagnético saturable interactúa con una capacitancia. La topología del circuito L-C en serie, usualmente resulta cuando un transformador trifásico, o bien un banco de transformadores, se queda con una o dos fases desconectadas de la fuente. La capacitancia esta dada por la línea, por cables subterráneos, capacitancia interna en los

devanados del transformador, o por bancos de capacitares en paralelo. Para que el circuito ferrorresonante aparezca, una de las siguientes combinaciones debe estar presente:

• Un transformador sin conexión a tierra con conexión primaria (delta, delta

abierta, estrella sin aterrizar, transformador trifásico o banco) y una capacitancia de fase conectada a la fase del transformador desconectada de la fuente.

• Un transformador estrella-estrella, aterrizado, o bien un banco, con una o dos de

las fases desconectada de la fuente, y una capacitancia sin aterrizar conectada entre las fases abiertas del transformador en cualquiera de las terminales de este, ya sea primarias o secundarias. La capacitancia sin conexión a tierra se da típicamente en la forma de un banco de capacitores en delta o estrella sin aterrizar, o por la longitud de la línea trifásica primaria.

• Transformadores trifásicos estrella-estrella, aterrizados, construidos con núcleo

“five-leg” o “four-leg”, que cuentan con una o dos fases desconectadas de la fuente, y además cuentan con capacitancia(s) fase a tierra conectada a alguna de estas mismas fases, ya sea en el lado primario o secundario.

La magnitud de la sobretensión ferrorresonante depende de los devanados primarios del transformador, así como de la capacitancia presente, en comparación con las características del transformador. Estos tienden a ser más severos para transformadores de altos niveles de tensión, transformadores pequeños en cuanto a kVA, y aquellos con alta eficiencia (pequeñas pérdidas en el núcleo).

Para transformadores sin puesta a tierra en el primario, sobretensiones por ferrorresonancia pueden alcanzar fácilmente de 3 a 4 p.u. la capacitancia interna del transformador puede a menudo ser suficiente para provocar ferrorresonancia en transformadores y bancos sin aterrizar.

Las magnitudes de sobretensiones relacionadas con transformadores estrella, aterrizados, construidos con núcleo “five-leg” o “four-leg” pueden sobrepasar los 2.5 p.u. Cables subterráneos con longitudes en el orden de pocos cientos de pies, son suficientes para crear valores cresta de tensión de esta magnitud.

Capacitancias suficientes en comparación con las características del transformador se encuentran presentes en transformadores que se encuentran virtualmente descargados (cargas menores que un pequeño porcentaje). La sobretensión ferrorresonante puede persistir el tiempo que permanezca la condición de fase abierta. En la práctica, la condición de una fase abierta es usualmente el resultado de