Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Determinación de las variables eléctricas de los
descargadores de sobretensión más adecuados a ser
utilizados en la red de media tensión de la
Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A.
Por:
Daniel Ramírez Madriz
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Julio del 2012
ii
Determinación de las variables eléctricas de los
descargadores de sobretensión más adecuados a ser
utilizados en la red de media tensión de la
Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A.
Por:
Daniel Ramírez Madriz
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________ Ing. Raúl Fernández Vásquez
Profesor Guía
_________________________________ _________________________________ Ing. José David Arroyo Murillo Ing. Guido Godínez Zamora Lector Lector
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DEDICATORIA
A Dios por estar conmigo siempre y a mi familia que siempre me han colaborado, lo que me ha permitido salir adelante.
iv
RECONOCIMIENTOS
A mis padres por brindarme el don de la vida y apoyarme siempre que lo necesite. A mis hermanos que nunca dudaron en tenderme su mano para ayudarme.
Al Ing. Raúl Fernández Vásquez por guiarme en la realización de este proyecto.
Al Ing. Guido Godínez y al Ing. José David Arroyo por brindarme su ayuda en la realización de este proyecto.
Al señor Carlos Gutiérrez Cabalceta por su colaboración en el diseño.
A todas las personas que con su colaboración me permitieron desarrollar este trabajo de forma satisfactoria.
v
ÍNDICE GENERAL
1.
INTRODUCCIÓN ... 1
1.1
Objetivos ... 2
1.1.1. Objetivo general ... 2 1.1.2 Objetivos específicos ... 21.2
Metodología ... 3
2.
DESARROLLO TEÓRICO ... 5
2.1
Fenómeno de descargas atmosféricas ... 5
2.1.1 Interacción de las descargas atmosféricas con el sistema ... 9
2.1.2 Ondas viajeras ... 12
2.2
Coordinación de aislamiento ... 15
2.2.1 Sobretensiones representativas ... 21
2.2.2 Curva Tensión-tiempo ... 23
2.3
Características de los dispositivos de protección de sobretensión .. 25
2.3.1 Características principales de los descargadores de sobretensión y de selección ... 28
3.
PROCEDIMIENTO
PARA
LA
COORDINACIÓN
DE
AISLAMIENTO ... 33
3.1
Pasos para determinar la coordinación de aislamiento ... 33
vi
Tensión a frecuencia industrial y sobretensiones temporales ... 34
Sobretensiones de frente lento ... 35
Sobretensiones de frente rápido ... 35
Paso 2: Determinación de las tensiones no disruptivas de coordinación (Ucw) ... 35
Sobretensiones temporales ... 36
Sobretensiones de frente lento ... 36
Sobretensiones de frente rápido ... 36
Paso 3: Determinación de las tensiones no disruptivas requeridas (Urw) ... 37
Para sobretensiones temporales ... 38
Para sobretensiones de frente lento ... 38
Para sobretensiones de frente rápido ... 39
Paso 4: Conversión a tensiones no disruptivas normalizadas ... 39
Para sobretensiones temporales ... 39
Para sobretensiones de frente lento ... 39
Para sobretensiones de frente rápido ... 40
Selección de las tensiones no disruptivas normalizadas ... 40
Cuadro resumen de coordinación de aislamiento para el sistema de 34,5 kV ... 41
4.
ESPECIFICACIÓN TÉCNICA DE LOS DESCARGADORES DE
SOBRETENSIÓN A 34,5 KV ... 42
4.1
Objetivo ... 42
vii
4.2.1 Documentos aplicables ... 42
4.2.2 Condiciones de utilización ... 42
Condiciones eléctricas ... 42
Condiciones ambientales ... 42
4.2.3 Normas técnicas y características técnicas generales ... 43
4.3
Definiciones ... 44
4.4
Requisitos generales ... 45
4.5
Ensayos ... 47
4.5.1 Ensayos tipo ... 47 4.5.2 Ensayos de rutina ... 47 4.5.3 Ensayos de recepción ... 484.6
Criterios de aceptación... 49
4.6.1 Defectos críticos ... 50 4.6.2 Defectos mayores ... 504.7
Embalaje y transporte ... 51
4.8
Información para la propuesta del oferente ... 51
5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 55
5.1
Conclusiones ... 55
5.2
Recomendaciones ... 56
viii
APÉNDICES ... 60
Apéndice 1 ... 60
Apéndice 2 ... 61
Apéndice 3 ... 62
Apéndice 4 ... 63
Apéndice 5 ... 64
ANEXOS ... 65
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Fenómeno de descargas atmosféricas según la teoría de Simpson... 5
Figura 2.2. Onda normalizada a impulso por descarga atmosférica ... 8
Figura 2.3. Dimensiones físicas en las líneas de distribución... 9
Figura 2.4. Impactos que terminan a una distancia mayor que Dg causan descargas inducidas. ... 10
Figura 2.5. Protección de aislamiento para un equipo con característica "A" por dispositivo de protección de característica "B" ... 16
Figura 2.6 Densidad de probabilidad de ocurrencia de sobretensiones f(V) ... 18
Figura 2.7 Curva característica de función de probabilidad de descarga disruptiva de aislamiento en función de la sobretensión ... 19
Figura 2.8 Determinación del riesgo de fallo R a partir de la función de probabilidad de ocurrencia de sobretensiones f(U) y de la probabilidad de fallo del aislamiento P(U)... 20
Figura 2.9 Construcción de curva tensión-tiempo ... 24
Figura 2.10 Relación de tensiones soportadas por el aislamiento del equipo y tensiones limitadas por el pararrayos ... 26
Figura 2.11 Pararrayos de carburo de silicio y de óxido metálico ... 27
Figura 2.12 Características tensión-corriente de un pararrayos con nivel de protección tipo rayo a corriente de descarga de 10 kA ... 31
Figura 2.13 Procedimiento para selección del descargador de sobretensión ... 32
Figura 3.1 Esquema general de coordinación de aislamiento ... 33
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Estadística de duración de las descargas atmosféricas ... 7
Tabla 2.2. Estadística de razón de elevación de las descargas atmosféricas ... 7
Tabla 3.1 Cuadro resumen de coordinación de aislamiento para el sistema de 34,5 kV…..41
Tabla 4.1 Defectos menores ... 49
Tabla 4.2 Ensayos de conformidad con la calidad y de rutina ... 49
Tabla 4.3 Ensayos tipo ... 50
Tabla 4.4 Planilla de datos requeridos para el descargador de sobretensión ... 53
Tabla A.1 Valores estándar de la tensión máxima de operación permanente ... 60
Tabla A.2.1 Características de los pararrayos de distribución de carburo de silicio ... 61
Tabla A.2.2 Características de los pararrayos de distribución de tipo óxido metálico ... 61
Tabla A.3 Niveles de contaminación normalizados ... 62
Tabla A.4.1 Lista de tensiones soportadas normalizadas de corta duración a frecuencia industrial ... 63
Tabla A.4.2 Lista de tensiones soportadas a los impulsos normalizados ... 63
xi
NOMENCLATURA
ANSI: Instituto Nacional de Estándares Americanos.
BIL: Nivel Básico de Aislamiento a Impulso Atmosférico (Basic Impulse Insulation
Level).
b: Distancia horizontal entre los conductores externos en metros. CFO: Voltaje Critico de Flameo (Critical Impulse Flashover Voltage).
CNFL:
Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A.C: Capacitancia de la línea. G: Conductancia de la línea.
H: Altura de la línea por encima del suelo en metros.
IEC: International Electrotechnical Commission (Comisión Electrotécnica Internacional). IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Electricos y
Electrónicos).
In: Corriente nominal de descarga.
I1: Corriente de onda incidente.
I1r: Corriente de onda reflejada.
I2: Corriente de onda transmitida.
kA: kiloamperes.
Ka: factor de corrección de altitud.
Kcd: factor de coordinación determinista.
xii
km: kilómetros.
Ks: factor de seguridad.
kV: kilovolt.
Kv: Constante en función de la velocidad de la descarga atmosférica.
l: Longitud del conductor. L: Inductancia de la línea.
MCOV: Tensión de operación permanente (Maximum Continuous Operating Voltage). MHz: MegaHertz.
ms: milisegundos.
N: Número de impactos en la línea. Ng: Densidad de descargas a tierra. R: Resistencia de la línea.
rcc: Distancia de impacto al conductor.
rg: Distancia de impacto a la tierra.
T1: Tiempo al frente de onda.
T2: Duración a la cola.
U1: Onda incidente. U1r: Onda reflejada. U2: Onda transmitida.
Uc: Máxima tensión de operación permanente.
xiii
Um: Mayor tensión del equipo.
UNE: Una Norma Española.
Upl: Nivel de protección a impulsos por descargas del descargador de sobretensión.
Ups: Nivel de protección a impulsos por maniobra del descargador de sobretensión.
Ur: Tensión nominal del descargador.
Urp: Sobretensiones representativas.
Urw: Valores de tensión no disruptivas requeridas.
Us: Mayor tensión del sistema.
Uw: Tensiones no disruptivas normalizadas.
Vmax: Valor pico de tensión. Vres: Tensión residual. µs: microsegundos.
xiv
RESUMEN
En el presente trabajo se realizo la especificación técnica del descargador de sobretensión de tecnología de óxido metálico adecuado para ser utilizado en la red de 34,5 kV de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A.
La especificación técnica resulta del estudio previo del fenómeno de descargas atmosféricas y su comportamiento como ondas viajeras.
Además se investigo algunas de las propiedades más relevantes de los descargadores de sobretensión como dispositivo de protección.
Posterior al análisis teórico de estos fenómenos y de los dispositivos de protección, se realizo un ejemplo genérico de coordinación de aislamiento de acuerdo con las características de la red de 34,5 kV de la CNFL, S.A.
1
1.
Introducción
Actualmente, la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A utiliza la Especificación Técnica Pararrayos tipo distribución para 34,5 kV código 75-10-3010, para la adquisición de descargadores de sobretensión. No obstante, dicha especificación presenta ciertas debilidades que no garantizan la protección total del sistema ante diversos fenómenos. Para lograr determinar las variables que debe garantizar el proveedor, es necesario estudiar aspectos como: las descargas atmosféricas, el fenómeno de ondas viajeras, el proceso de coordinación de aislamiento en base a normas (internacionales y nacionales) y las características de los dispositivos de protección, que en este caso serian los descargadores de sobretensión.
Tomando como referencia el estudio de las normas internacionales IEC 71-1 e IEC 71-2, se realiza un ejemplo genérico de coordinación de aislamiento haciendo uso del método determinista que se centra en el sistema de 34,5 kV de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A, con el cual se establece el nivel de aislamiento requerido, que deben poseer los descargadores de sobretensión de tecnología de óxido metálico para proteger los equipos asociados a la red de 34,5 kV.
Posteriormente, utilizando las normas IEC 99-4 y ANSI/IEEE Std C.62.11-1999, en conjunto con las características de los dispositivos de protección y los resultados obtenidos en el ejemplo genérico de coordinación de aislamiento, se preparo la especificación técnica de los descargadores de sobretensión adecuados a ser utilizados por la CNFL, S.A. Estableciendo así los requisitos necesarios que deben de cumplir los oferentes en relación a su producto para satisfacer las necesidades que presenta el sistema de 34,5 kV.
2
1.1
Objetivos
1.1.1. Objetivo general
Determinar las variables eléctricas de los descargadores de sobretensión más adecuados mediante un estudio de coordinación de aislamiento, para la protección de las redes de media tensión de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A
1.1.2 Objetivos específicos
1. Estudiar normas internacionales y documentos técnicos relacionados con el cálculo de la coordinación de aislamiento y la selección de descargadores de sobretensión en redes de media tensión.
2. Realizar un estudio de coordinación de aislamiento para definir los valores eléctricos de los descargadores de sobretensión más adecuados a ser instalados en la red de 34,5 kV de la CNFL S.A.
3. Desarrollar una especificación técnica detallada de los descargadores de sobretensión que incluya criterios de aceptación.
3
1.2
Metodología
Para el estudio de coordinación de aislamiento, se realizará una investigación de términos de tensión y procedimientos para el desarrollo del trabajo mediante las normas:
Nacionales
UNE 60099-5 (Recomendaciones para la selección y utilización de pararrayos)
IEEE Std C62.11-1999 (Standard for Metal-Oxide Surge Arresters for AC Power Circuits)
IEEE Std 1313.1-1996 (Standard for Insulation Coordination)
IEEE Std 1313.2-1999 (Guide for the Application of Insulation Coordination) Internacionales
IEC 60099-4 (Metal-Oxide Surge Arresters without gaps for a.c. systems)
IEC 60071-1 (Insulation co-ordination)
IEC 60071-2 (Insulation co-ordination)
Con la utilización de estas normas y algunas otras fuentes bibliográficas, se completará el estudio básico requerido para el desarrollo de los objetivos 2 y 3, que son el estudio de la coordinación de aislamiento y la especificación técnica detallada de los descargadores de sobretensión respectivamente.
En cuanto al procedimiento de la coordinación de aislamiento, se hará uso de las normas o estándares técnicos IEEE Std 1313.1-1996, IEEE Std 1313.2-1999, IEC 60071-1, IEC 60071-2 y otros documentos suministrados por la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A, en relación al método adoptado actualmente por la empresa.
4 Con respecto al desarrollo de la especificación técnica para la elección de los descargadores de sobretensión de la red de 34,5 kV, se analizarán los resultados del procedimiento de la coordinación de aislamiento, y de acuerdo con estos y considerando las normas como referencia, se estudian los catálogos de fabricantes de los descargadores de sobretensión para considerar en la red de la CNFL S.A.
5
2.
DESARROLLO TEÓRICO
2.1
Fenómeno de descargas atmosféricas
El principal objetivo de estudiar el fenómeno de descargas atmosféricas, es el de proteger las redes de distribución y transmisión de energía en contra de las sobretensiones producidas por estas y depende del nivel isoceráunico que corresponde al número de días tormentosos por año en cualquier lugar.
Una de las teorías mas aceptadas en relación con este fenómeno es la de Simpson, la cual explica que la formación de descargas eléctricas en las nubes es debido a corrientes de aire ascendentes que transportan vapor húmedo proveniente de la tierra, este se condensa al alcanzar alturas muy elevadas, alrededor de los 18 km y donde las presiones son muy elevadas y hay temperaturas muy bajas, por tanto se forman gotas de agua, que se encuentran con otras corrientes de aire ascendentes que las dividen, formándose gotas aun más pequeñas y estas al chocar nuevamente se subdividen y se da el desprendimiento de iones negativos, lo que genera cargas eléctricas que se dispersan y son llevadas a la parte superior de la nube, mientras que la parte inferior de la nube se carga en forma positiva. La siguiente figura ilustra esta teoría: [1]
6 Al aumentarse la carga circundante en las nubes, se comienzan a generar caminos por los cuales la carga busca descargarse en la tierra, la cual posee un potencial nulo. Esto deriva en la formación del rayo, para la cual se indican dos fenómenos, el primero se da cuando el aire circundante alrededor de la nube se ioniza y pequeñas descargas, que se denominan líderes, distribuyen las cargas en el aire. Por lo general, los líderes poseen valores de corriente relativamente pequeños, y se propagan de forma desordenada en el aire, en espacios de aproximadamente 10 a 80 metros. Y estos constituyen un camino de descarga, que algunas veces al acercarse a la superficie de la tierra se dirige a un objeto u estructuras más altas. [3-5]
El segundo fenómeno es la descarga de retorno, que es el relámpago que se observa de vuelta a la nube, este fenómeno si posee grandes valores de corriente, en el orden de los kiloamperios (kA). Las estadísticas mundiales a través de los años en relación a las magnitudes de corriente indican que: [3-6]
El 5% son superiores a los 90 kA.
El 10% son superiores a los 75 kA.
El 20% son superiores a los 60 kA.
El 50% son superiores a los 45 kA.
El 70% son superiores a los 30 kA.
También se deben de considerar las descargas múltiples, que representan más del 50% del total de las descargas. Son causadas por descargas horizontales entre nubes que las recargan de forma rápida, por lo tanto se generan nuevos caminos entre nubes, lo que implica que se genere una descarga atmosférica en la misma posición que la anterior, ya que esta aprovecha los caminos ionizados ya creados por la anterior descarga. [3-6]
7 Entre las características más importantes de las descargas atmosféricas se encuentra su duración, que es de alrededor de los microsegundos hasta unos pocos segundos. A continuación se muestra una tabla resumen en relación a la estadística correspondiente a la duración de las descargas: [3-6]
Tabla 2.1. Estadística de duración de las descargas atmosféricas [6]
Duración de una descarga simple (µs) Probabilidad (%) ˃20 96 ˃40 57 ˃60 14 ˃80 5 Tiempo promedio = 43 µs
Las descargas atmosféricas se encuentran dentro de la categoría de sobretensiones de frente escarpado las cuales son en una sola dirección, y que alcanzan su mayor valor (valor de cresta) en alrededor de 0,1µs a 20µs, esto se denomina razón de elevación. Las razones de elevación más representativas son: [6]
Tabla 2.2. Estadística de razón de elevación de las descargas atmosféricas [6]
Tiempo de cresta (µs) Probabilidad (%) ˃ 6,8 90 5 80 4 75 3 60 1,5 45 1 17
La siguiente figura muestra la gráfica de onda normalizada en la cual se determina de forma visual la razón de elevación:
8
Figura 2.2. Onda normalizada a impulso por descarga atmosférica Fuente: propia
Donde:
T1= Tiempo al frente de onda
T2= duración a la cola
Vmax = valor pico de tensión
Normalmente para pruebas se utiliza la onda 8/20 µs, indicando un tiempo al frente de onda de 8 µs y un tiempo a la cola de 20 µs, pero es necesario considerar los tiempos de cresta mostrados en la tabla 2, ya que muchas veces estos tiempos son más representativos.
9
2.1.1 Interacción de las descargas atmosféricas con el sistema
La respuesta eléctrica de una línea depende del número de descargas que se producen y de la forma en que se transmiten. Las descargas se pueden transmitir de forma directa y de forma indirecta:
a) Descargas directas en las líneas: El número de descargas directas corresponde a una función de incidencia en una región dada o al número de descargas por unidad de área por año. [6]
El número de impactos a la línea (N) por año se calcula con la siguiente fórmula: 2.1-1
donde:
Ng = Densidad de descargas a tierra.
b = Distancia horizontal entre los conductores externos en metros. H = Altura de la línea por encima del suelo en metros.
Figura 2.3. Dimensiones físicas en las líneas de distribución Fuente: propia
10 b) Descargas indirectas (o inducidas) en las líneas: Se producen cuando un rayo cae cerca de la línea, y la inducción electroestática y electromagnética induce ondas transitorias en las líneas. La experiencia ha demostrado que muchos de los flameos que se producen en las líneas de distribución son por descargas inducidas. El valor de cresta de estas sobretensiones son mucho menores a los originados por descargas directas. [6,7]
Figura 2.4. Impactos que terminan a una distancia mayor que Dg causan descargas
inducidas.[8]
Usando como referencia la figura anterior podemos calcular el número de impactos que terminan induciendo una sobretensión en el conductor. Considerando un conductor ubicado a una altura hc con respecto a la tierra, para cualquier corriente de
impacto específica I, el número de impactos que terminan en el conductor se calcula como:[8]
11
2.1-2
De donde tenemos que:
Ng = densidad de descargas a tierra.
l = es la longitud
f (I) = es la función de densidad de probabilidad del primer impacto de corriente. Y:
2.1-3
donde:
rcc = distancia de impacto al conductor
rg = distancia de impacto a la tierra
De la figura 2.4, cuando se impacta mas allá de x = Dg, todos los impactos terminan
a tierra, y estos impactos producen descargas inducidas sobre el conductor. Cuando el impacto termina entre x = Dg y x = Xm, la descarga inducida es mayor que el
valor de CFO y se produce flameo. Más allá de x = Xm, la descarga inducida es
menor que CFO y no se produce flameo. [8] La distancia Xm se obtiene de:
2.1-4
donde:
H: Altura de la línea por encima del suelo en metros. Kv: esla constante resultante de:
12 La velocidad se puede determinar en función de la corriente de impacto y se puede aproximar por:
2.1-6
2.1.2 Ondas viajeras
Son el tipo de onda que se transmiten a través de los conductores y pueden provocar sobretensiones superiores a la tensión nominal del sistema.[7]
Al aplicar una tensión U(x,t) que se desplaza a una velocidad “v” en un conductor, se produce una corriente I(x,t) que viaja a la misma velocidad de la onda de tensión. A continuación se muestran las ecuaciones de primer orden de las ondas viajeras referidas al origen de la línea y referidas al final de la línea.[7,9]
Referidas al origen de la línea 2.1-7 2.1-8 Referidas al final de la línea 2.1-9 2.1-10 Las ecuaciones anteriores se deben de derivar ya que al momento ambas variables son dependientes, por lo tanto se obtiene las ecuaciones de segundo orden con variables separadas denominadas ecuaciones de onda: [9]
2.1-11 2.1-12
13 donde: R= resistencia de la línea. G= conductancia de la línea. L= inductancia de la línea C= capacitancia de la línea.
El empleo de estas ecuaciones varía según el caso a cual se exponen, por ejemplo en el caso de un punto de transición en el que dos líneas se enlazan y tienen diferente impedancia característica, cuando la onda de tensión mostrada en la ecuación (2.1-11) alcanza este punto, las ondas de tensión y de corriente tienen que igualarse, pero la tensión y la corriente de las líneas están ligadas a cada una de sus impedancias características, por lo tanto:[7]
2.1-13 2.1-14 donde: U2 = Z2 I2 = onda transmitida U1 = Z1 I1 = onda incidente U1r = -Z1 I1r = onda reflejada
I2= corriente de onda transmitida
I1= corriente de onda incidente
I1r= corriente de onda reflejada
De las ecuaciones anteriores se obtienen las reglas de reflexión y refracción de ondas en puntos de transición:[7]
14 2.1-15 2.1-16 2.1-17 2.1-18
De acuerdo con lo anterior, sabemos que en las líneas de distribución se pueden presentar casos especiales donde la impedancia característica varíe de forma muy relevante y provoque la multiplicación de la amplitud de la onda de tensión o de corriente, por ejemplo: [7]
a) Circuito abierto (Z2 = ∞)
En este caso las ondas incidentes son totalmente reflejadas, la onda de tensión con el mismo signo por lo tanto se produce una superposición de ondas que se suman U2=2U1, y la onda de corriente se refleja con signo contrario por lo que I2=0 y la
onda reflejada es igual a I1r=I1. [7]
b) Línea en cortocircuito (Z2 = 0)
Cuando la línea se encuentra en cortocircuito, la tensión se anula U2=0 y la corriente
15
2.2
Coordinación de aislamiento
La coordinación de aislamiento tiene como objetivo principal determinar las características necesarias de aislamiento, para los diferentes elementos que componen la red, y constituir una protección segura de la distribución de energía eléctrica. En otras palabras, es la correlación existente entre el aislamiento eléctrico del equipo con las características de los dispositivos de protección, los cuales protegen al aislamiento de sobretensiones excesivas. [8,10,11]
Por lo tanto, la coordinación de aislamiento consiste en analizar: a) Los esfuerzos de tensión eléctrica.
b) Una correcta selección de la resistencia de aislamiento para lograr una probabilidad de falla deseada.
Además, en las coordinaciones de aislamiento es necesario localizar el punto en donde se muestra más debilidad en tensión soportada por donde circulará la corriente originada por la sobretensión, para esto es necesario determinar por lo tanto este valor de tensión soportada y la distancia de aislamiento. [10]
La tensión soportada corresponde al valor de tensión de prueba bajo ciertas condiciones, para el cual el aislamiento puede soportar una cierta cantidad de descargas disruptivas sin presentar falla. Por otro lado, la descarga disruptiva corresponde a la falla del aislamiento bajo la acción de fenómenos en donde la descarga cortocircuita completamente el aislamiento bajo prueba. [12]
16
Figura 2.5. Protección de aislamiento para un equipo con característica "A" por dispositivo de protección de característica "B" [13]
La curva A muestra la resistencia a impulso del aislamiento eléctrico de un equipo, el cual es expuesto a daños producidos por descargas de rayo. La curva B es el nivel de protección ofrecido por un dispositivo como el descargador de sobretensión. Por lo tanto si un esfuerzo de tensión supera la curva A de aislamiento del equipo, este se verá protegido por la curva de aislamiento B del dispositivo de protección (curva del descargador de sobretensión, por ejemplo). [13]
Además es muy importante definir los términos de aislamiento interno y aislamiento externo. En el caso del aislamiento interno se presenta al no estar en contacto con ambiente exterior y no verse afectados por fenómenos atmosféricos o medioambientales, pero en relación al aislamiento externo este se refiere a superficies aislantes que por encontrarse en el exterior se exponen a diferentes características atmosféricas o del medio ambiente, tal como la contaminación, la humedad, entre otros. [12]
17 También es importante definir los aislamientos autorecuperables y no autorecuperables. Para los autorecuperables se debe indicar que son los tipos de aislamiento que logran recuperar sus propiedades aislantes después de ser sometidos a una descarga disruptiva causada en ensayos. Los aislamientos no autorecuperables se refieren aquellos a los cuales pierden total o parcialmente sus condiciones aislantes luego de exponerse a una descarga disruptiva. [12]
La coordinación de aislamiento se puede realizar por medio de dos métodos principales:
Método estadístico: el cual se basa en la distribución de probabilidad de las sobretensiones de un origen específico y la probabilidad de descarga del aislamiento, con lo que se puede estimar la frecuencia de fallo del sistema considerado en función de sus factores de diseño. Esto permite que incluso se pueda optimizar el aislamiento con respecto a costos, pero la mayoría de las veces esto no es posible debido a lo difícil de evaluar las consecuencias de las fallas del aislamiento en diferentes configuraciones de red y a la incertidumbre que existe con respecto al costo de la energía no entregada. [12, 14]
Método determinista: este se aplica cuando no se cuenta con información estadística a partir de los ensayos que muestran las posibles tasas de fallo de los equipos en condiciones de servicio. Este se considera un método totalmente conservador ya que no considera descargas disruptivas al aplicar tensiones de prueba en ensayos, lo que significa que se tiene un 100% de probabilidad de soportar tensiones de prueba aplicadas. [12,14]
Como se menciono anteriormente, el método estadístico realiza su análisis en base a las distribuciones de probabilidad según su origen y frecuencia de ocurrencia, y a la probabilidad de descarga en el aislamiento. La figura que se muestra a continuación es la curva característica de probabilidad de ocurrencia de las sobretensiones f(V): [12]
18
Figura 2.6 Densidad de probabilidad de ocurrencia de sobretensiones f(V) [12]
Para determinar la función de probabilidad de descargas disruptivas para aislamientos autorecuperables se debe de aplicar impulsos de una forma dada y valores de cresta V diferentes, y con esto establecemos una probabilidad de descarga P que puede estar asociada con cada valor de cresta dado, estableciéndose la relación P = P (V), la cual se observa en la figura 2.7. [12,14]
Para un aislamiento dado, el método estadístico se basa en la determinación del riesgo de fallo R, a partir del conocimiento de la densidad de probabilidad de ocurrencia de sobretensiones f (V) y de la función de probabilidad P (V) de descarga disruptiva del aislamiento en función de la sobretensión: [14]
19
Figura 2.7 Curva característica de función de probabilidad de descarga disruptiva de aislamiento en función de la sobretensión [12]
La exactitud del riesgo de fallo R, depende directamente de lo exacto de la construcción de las probabilidades de ocurrencia de sobretensiones f (V) y de la determinación de la soportabilidad dada por P(V). En la figura 2.8 se muestra la relación gráfica del riesgo de falla R.[12]
De la gráfica mostrada en la figura 2.8, podemos notar que al desplazar ya sea la curva f(V) de izquierda a derecha o la curva P(V), se da una modificación en cuanto al valor del riesgo de falla que corresponde al área bajo la curva. Por lo tanto el disminuir el riesgo de falla depende de dos posibilidades: [12]
Desplazar la curva P(V) hacia la derecha, lo que implica que se aumenta el nivel de aislamiento de los equipos y en consecuencia las dimensiones físicas del mismo.
20
Desplazar la curva f(V) hacia la izquierda, con lo que se disminuye las magnitudes de las sobretensiones del sistema por medio de medidas de control.
Ambas situaciones significan un ajuste económico en el proyecto de coordinación de aislamiento.
Figura 2.8 Determinación del riesgo de fallo R a partir de la función de probabilidad de ocurrencia de sobretensiones f(U) y de la probabilidad de fallo del aislamiento P(U)
21
2.2.1 Sobretensiones representativas
En la coordinación de aislamiento es muy importante identificar las tensiones y sobretensiones a las cuales el sistema se ve expuesto, por lo tanto a continuación se identifican los distintos orígenes de los esfuerzos de tensión:
a) Tensión continua que se presenta a frecuencia industrial: se considera que tiene un valor rms constante, que se aplica en un par de terminales en su configuración de aislamiento de forma permanente. Considerándose en la coordinación de aislamiento, igual a la tensión más elevada del sistema (Us). [14,15]
b) Sobretensión temporal (a frecuencia industrial): estás se presentan en periodos de tiempo relativamente prolongados, se caracterizan por lo tanto por su duración, pero también por su forma y amplitud. Pueden tener su origen en fallas, operaciones de maniobra como las pérdidas de carga, condiciones de resonancia y ferroresonancia, o en combinación de los anteriores. [14,15]
Para propósitos de coordinación de aislamiento, la sobretensión temporal representativa acoge la forma de tensión normalizada a frecuencia industrial de corta duración (1 min), su amplitud se define como un valor máximo supuesto de cresta, y por último su amplitud es elegida prestando atención en: [14]
1. La amplitud y duración de la sobretensión real en servicio.
2. La característica disruptiva amplitud/duración a frecuencia industrial del aislamiento que se toma en consideración.
c) Sobretensiones transitorias: estas son sobretensiones que tiene una duración muy pequeña, tomando como valor máximo los milisegundos, pueden ser oscilatorias o no oscilatorias. A su vez estas se dividen en: [14,15]
1. Sobretensión de frente lento: normalmente se da en una sola dirección, su rango de duración va de 20 µs˂Tp≤ 5000 µs hasta su valor de cresta, y tiene una duración de cola T2≤20 ms. Pueden tener su origen en: [14,15]
22
Operaciones de maniobra: energización y reenergización de la línea, pérdidas de carga, apertura de corrientes capacitivas o inductivas.
Fallas y la eliminación de éstas.
Impacto de descargas atmosféricas en conductores de líneas aéreas. Para determinar la sobretensión representativa, esta es el valor menor entre el valor de truncamiento de las sobretensiones (Uet) o el nivel de protección del
pararrayos contra el impulso de maniobra. [14]
2. Sobretensión de frente rápido: al igual que la anterior se da generalmente en una sola dirección, su duración hasta el valor de cresta es 0,1 µs˂T1≤20 µs, y con una duración de cola de T2˂300 µs. Estas pueden tener su origen en operaciones de maniobra, por descargas atmosféricas que impactan los conductores de las líneas aéreas o fallas. [14,15]
En relación a las sobretensiones por descarga atmosférica que son consecuencia del impacto directo en los conductores de fase, o ya sea por flameo de retorno, o de forma inducida por el choque de descargas atmosféricas a tierra en un lugar cercano a la línea. Estas sobretensiones están por debajo de los 400kV en la línea aérea, por lo tanto tiene mucha importancia en los sistemas de media tensión. La forma representativa de la sobretensión por descarga atmosférica es el impulso tipo rayo (1,2/50 µs). En relación a la amplitud representativa, esta se toma como un máximo supuesto o como una distribución de probabilidad de los valores de cresta de la tasa de retorno de las sobretensiones. [14]
Por otro lado, las sobretensiones de frente rápido causadas por operaciones de maniobra y fallas, toman como sobretensión representativa al impulso de descarga atmosférica estándar (1,2/ 50 µs). [14]
3. Sobretensión de frente muy rápido: estas se diferencian de las anteriores en que presentan oscilaciones superpuestas que se encuentra entre los valores de frecuencia de 30 kHz ˂f˂ 100 MHz, además su duración hasta el valor de cresta
23 es de Tf≤0,1 µs, con una duración total menor a los 3µs. Mayormente se producen por fallas u operaciones de maniobra en subestaciones encapsuladas. [14,15]
En el caso de las sobretensiones de frente muy rápido, no se define una sobretensión representativa ya que no hay métodos normalizados apropiados para lograr estos datos. [14]
4. Sobretensiones combinadas: Se origina por cualquiera de los motivos antes mencionados, y se presentan entre fases, en la misma fase, o entre partes separadas del sistema (longitudinal). [14,15]
2.2.2 Curva Tensión-tiempo
La curva de tensión tiempo nos permite representar las sobretensiones y realizar un mejor análisis de las mismas.
La tensión de ruptura y/o de flameo para un aislamiento particular, se da en función tanto de la magnitud de la tensión como del tiempo de aplicación de la misma, por lo tanto las Curvas de tensión-tiempo, muestran esta relación gráfica. [13]
24
Figura 2.9 Construcción de curva tensión-tiempo [16]
De la curva anterior determinamos que el flameo crítico es el valor de cresta de la onda que causa el flameo del aislamiento en la cola de la onda el 50% de las veces que se aplica una onda normalizada de tal magnitud. También encontramos de forma gráfica el valor de nivel básico de aislación a impulso atmosférico (BIL) que es el nominal soportado, el cual se define como el valor de cresta de onda de mayor magnitud que soporta el aislamiento sin llegar a la condición de flameo. [7]
Normalmente el valor que se conoce es el BIL, pero tomando como base este valor es posible encontrar el valor de la tensión crítica de flameo (CFO), por medio de la ecuación: [17]
25 donde:
BIL = nivel básico del aislamiento a impulso atmosférico. CFO = tensión de flameo critica.
= desviación estándar referida al valor de tensión de flameo crítica (CFO).
2.3
Características de los dispositivos de protección de sobretensión
Los dispositivos de protección se deben diseñar con el fin de limitar la magnitud de las sobretensiones que se presentan en los equipos o en sistemas. El diseño y la instalación de estos deben de tener como una de las consideraciones más especiales la coordinación de aislamiento, ya que la tensión de operación de estos dispositivos no debe exceder un valor aceptable con relación a la protección del equipo.
Los descargadores de sobretensión son dispositivos que se encargan de proteger equipos y sistemas contra sobretensiones de descargas atmosféricas y sobretensiones de maniobra. Estos se caracterizan por presentar una baja impedancia que facilita el paso de la corriente del rayo a tierra, y además de que se reconocen como aislamiento externo de tipo autorecuperable ya que pueden autorestablecerse después de que ha pasado la onda.
A continuación se muestra en la figura, la relación de la magnitud de las tensiones y sobretensiones en función de su duración, las tensiones soportadas por el aislamiento del equipo y tensiones limitadas por el pararrayos. Con esto nos damos cuenta que con el uso del pararrayos las sobretensiones de origen atmosférico y las sobretensiones por maniobra ambas sobretensiones transitorias, son cubiertas por el uso de pararrayos pero en relación a las sobretensiones temporales estas están por debajo de la tensión resistida por el aislamiento por lo que el descargador no limita este tipo de sobretensiones. [12]
26
Figura 2.10 Relación de tensiones soportadas por el aislamiento del equipo y tensiones limitadas por el pararrayos [12]
Existen dos tipos principales de elementos de protección estandarizados de acuerdo con la Norma IEC 71-2, los cuales son: [14]
Descargadores de sobretensión de resistencia no lineal con explosores en serie (descargadores de Carburo de Silicio)
27
Figura 2.11 Pararrayos de carburo de silicio y de óxido metálico [12]
Un pararrayos de carburo de silicio tiene elementos valvulares de carburo de silicio que se encuentran protegidos en contra de las tensiones continuas a frecuencia industrial por una serie de explosores los cuales desvinculan al descargador de la línea durante su funcionamiento permanente y también interrumpen la corriente de frecuencia industrial subsiguiente que circula a través del descargador después de la descarga. [12]
En los descargadores de óxido metálico, al mantenerse en el rango de tensiones de frecuencia industrial, las corrientes que pasan a través del descargador son muy pequeñas, por lo tanto el descargador se comporta como un aislador y esto implica que no se necesite la desconexión del mismo de la línea, por medio de explosores en serie. En caso de que se presente una sobretensión que supere las tensiones de frecuencia industrial y si las corrientes circulantes en el descargador son muy altas, en el orden de los kiloamperios, la tensión que se presenta en sus terminales se limita para así proteger el aislamiento de los objetos asociados. [18]
A partir de los años setentas y ochentas se comenzó a utilizar de manera más usual los descargadores de sobretensión de óxido metálicos, los cuales en sistemas con neutros
28 sólidamente aterrizados y con poca presencia de sobretensiones temporales, presentan una característica de protección superior a las sobretensiones de frente lento en comparación con el descargador de carburo de silicio.[12]
Los descargadores de carburo de silicio que eran los dueños del mercado antes de la entrada de los descargadores de óxido metálico, se adaptan de mejor manera para la protección de sistemas con neutro aislado o con conexión a tierra resonante, en donde las sobretensiones temporales debidas a fallas a tierra pueden presentar larga duración. [12]
2.3.1 Características principales de los descargadores de sobretensión y de selección
A continuación se muestran parámetros característicos de los descargadores de sobretensión, los cuales son conocidos comúnmente como pararrayos:
MCOV: Una de las características más importantes de un descargador de sobretensión es la
tensión de operación permanente (Uc, según la normativa IEC) o MCOV (Maximum
continuous Operating Voltage), esta es la tensión a frecuencia industrial máxima a la cual puede operar un descargador sin tomar en cuenta ninguna restricción. [11,18,19]
El MCOV de un pararrayos se considera aproximadamente el 84% de la tensión nominal del pararrayos de ciclo de trabajo nominal, en el apéndice 1 se muestra la tabla donde aparecen los valores estándar de tensión máxima permanente (MCOV) según la norma IEEE Std C62.11-1999.
Tensión nominal del descargador Ur: La normativa IEC 60099-5, recomienda que se
debe de utilizar una tolerancia de al menos 5%, para tomar en cuenta las armónicas que se presenten en la tensión del sistema. [13,14]
La máxima tensión de operación permanente, se relaciona con la tensión nominal del descargador de la siguiente forma: [18]
29
2.3-1
Donde:
Ur: tensión nominal del descargador
Uc: Máxima tensión de operación permanente
La tensión nominal del descargador, determina la capacidad de este para operar mientras se presentan sobretensiones temporales en el sistema, y estas solo pueden presentarse en tiempos alrededor de los 10 segundos, ya que si se sobrepasan estos tiempos se presenta un elevado incremento de temperatura y de corriente. [11,18,19]
En la región de corrientes superiores a 100 A se definen las características de protección del descargador. La característica de protección más importante, es el nivel de protección a impulso atmosférico, el cual es la diferencia de tensión que se presenta en los terminales cuando circula por él, la corriente nominal de descarga. De los principales causantes que producen una elevación en la tensión de terminales, son los procesos de ondas viajeras mencionados anteriormente.
Corriente nominal de descarga In: valor pico de corriente tipo rayo normalizada de 8/20
µs. Es el principal parámetro para definir el nivel de protección y la capacidad de absorción de energía de un pararrayos.[12]
Nivel de protección del pararrayos: está asociado al valor pico de la tensión que aparece
entre los terminales del pararrayos, mientras circula la corriente de descarga. Esta tensión se denomina tensión residual (Vres), esta puede darse para impulsos tipo rayo y tipo maniobra. [6,12]
Para propósitos de coordinación de aislamiento, se calcula un margen de seguridad de acuerdo al nivel de protección del descargador de sobretensión. Este margen debe ser mayor a 20% y se calcula: [6]
30
2.3-2
donde:
Aislamiento resistente: se calcula para el valor de la onda plena (BIL). [6]
Nivel de protección: depende del tipo de descargador y del valor de descarga disruptiva elegido. En el apéndice 2 se muestran los distintos valores estándar de descarga disruptiva según el tipo de descargador de sobretensión. [6]
La figura 2.12 muestra la relación entre los parámetros antes mencionados de tensión de operación permanente, tensión nominal y tensión residual, los cuales se ajustan a una relación fija, que se muestra en las curvas voltaje- corriente de los descargadores y que dependen del tipo especifico de descargador, lo que significa que al variar la tensión nominal del descargador, se varia automáticamente su tensión de operación permanente y demás parámetros que se mantienen en esta relación gráfica.
Por lo tanto al disminuir el valor del nivel de protección implica desplazar la curva V-.I hacia abajo y por lo tanto se disminuye la tensión de operación permanente y la tensión nominal, lo que implica una condición de menor estabilidad en la operación a frecuencia industrial. [12]
El diagrama de flujo de la figura 2.13 muestra los pasos correspondientes para la elección del descargador de sobretensión según los parámetros del sistema. Muchos de estos se determinan por el estudio de coordinación de aislamiento del sistema, mencionado anteriormente.
31
Figura 2.12 Características tensión-corriente de un pararrayos con nivel de protección tipo rayo a corriente de descarga de 10 kA. [12]
32
33
3.
PROCEDIMIENTO PARA LA COORDINACIÓN DE
AISLAMIENTO
El procedimiento de coordinación de aislamiento incluye determinar todos los esfuerzos de tensión de distintos orígenes que se presentan en el equipo y la rigidez dieléctrica correspondiente en base a márgenes de protección aceptables.
Figura 3.1 Esquema general de coordinación de aislamiento [12]
3.1
Pasos para determinar la coordinación de aislamiento
Existen cuatro pasos principales para realizar una adecuada coordinación de aislamiento en el sistema: [14]
1. Primero se deben de determinar las sobretensiones representativas (Urp).
2. Determinar las tensiones no disruptivas de coordinación (Ucw).
34 4. Por último, determinar las tensiones no disruptivas normalizadas (Uw).
A continuación se muestra un caso genérico para el sistema de 34,5 kV de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A.
Antes de seguir cada uno de los pasos correspondientes a la coordinación de aislamiento se deben de definir factores como: [14]
a) La mayor tensión del sistema: Us= 36 kV.
b) Nivel de contaminación: Ligero (Según tabla A.3 del apéndice 3) c) La altitud que cubre todos los sitios posibles: se considerará 1500 m.
Paso 1: Determinación de las sobretensiones representativas
Tensión a frecuencia industrial y sobretensiones temporales:
La sobretensión representativa se elige igual a la mayor tensión del sistema para aislamiento entre fases y a esta tensión dividida por raíz de tres cuando es para aislamiento de fase a tierra (igual al valor máximo supuesto para tensión continua).
Por lo tanto las sobretensiones representativas de fase a tierra y entre fases son:
3.1-1
35
Sobretensiones de frente lento:
Se consideran varios orígenes para las sobretensiones de frente lento, pero con el uso de pararrayos las sobretensiones representativas de frente lento se pueden considerar por el valor de nivel de protección al impulso por maniobra (Ups), en el caso de sobretensiones
representativas entre fases estos factores deben de ser multiplicados por 2. [14] Las sobretensiones representativas de frente lento son:
3.1-3
3.1-4
Sobretensiones de frente rápido:
No se consideran sobretensiones representativas de frente rápido, ya que se hace de descargadores de sobretensión en el sistema, lo que nos conduce directamente a la determinación del voltaje soportado de coordinación.
Paso 2: Determinación de las tensiones no disruptivas de coordinación (Ucw)
Para determinar las tensiones no disruptivas de coordinación se determinan los menores valores de las tensiones no disruptivas del aislamiento que cumplan con los criterios de desempeño que satisfacen los criterios de seguridad y confiabilidad establecidos, cuando se sometan a tensiones representativas en servicio normal. [14]
36
Sobretensiones temporales:
Las tensiones no disruptivas de coordinación por sobretensiones temporales adquieren el mismo valor que las sobretensiones representativas expuestas anteriormente.
Por lo tanto las tensiones no disruptivas por coordinación de fase a tierra y entre fases son:
3.1-5 3.1-6
Sobretensiones de frente lento:
La tensión no disruptiva de coordinación se obtiene al multiplicar el valor máximo supuesto de la sobretensión representativa correspondiente, por el factor de coordinación determinista Kcd, que en este caso particular es unitario.
Las tensiones no disruptivas de coordinación de frente lento son:
3.1-7 3.1-8
Sobretensiones de frente rápido:
Para sobretensiones de rayo de frente rápido se aplica un factor de coordinación determinista Kcd = 1, al máximo supuesto de las sobretensiones. En el caso de
sobretensiones de maniobra de frente rápido, se toma como máximo supuesto el nivel de protección del pararrayos ante impulsos tipo rayo Upl. [14]
37 Las tensiones no disruptivas de coordinación de frente lento son:
3.1-9
3.1-10
Paso 3: Determinación de las tensiones no disruptivas requeridas (Urw)
Esta tensión se determina tomando en cuenta todos los factores que afecten el rendimiento del aislamiento de manera que la tensión no disruptiva de coordinación cumpla durante el periodo de servicio.
Las tensiones no disruptivas requeridas se obtienen al aplicar los siguientes factores:
a) Factor de seguridad: En caso de que no se especifique en el equipo, algunos factores como la dispersión o el modo de ensamble, se precisa utilizar el siguiente factor de seguridad: [6]
Para aislamiento externo: Ks=1,05.
b) Factor de corrección de altitud: Se aplica solamente al aislamiento externo y su valor depende de la sobretensión. La siguiente fórmula muestra el cálculo del factor de corrección para la presión del aire que depende de la altitud: [6]
3.1-11
donde:
H = altitud sobre el nivel del mar
38 Por lo tanto tenemos que:
1. Para frecuencia industrial (aisladores limpios), m= 1,0
2. Para sobretensiones de frente lento, el valor depende de Ucw. Para valores Ucw
menores a 300 kV de fase a tierra ó 1200 kV entre fases, m= 1,0. 3. Para sobretensiones de frente rápido, m= 1,0.
Los valores correspondientes al factor Ka a una altitud de 1500m son: 1. Para frecuencia industrial, Ka= 1,2
2. Para sobretensiones de frente lento, Ka= 1,2. 3. Para sobretensiones de frente rápido, Ka= 1,2. Las tensiones no disruptivas requeridas se obtienen de:
3.1-12
Para sobretensiones temporales:
De fase a tierra:
26 kV 3.1-13
De fase a fase:
45 kV 3.1-14
Para sobretensiones de frente lento:
De fase a tierra:
39 De fase a fase:
3.1-16
Para sobretensiones de frente rápido:
De fase a tierra:
3.1-17
De fase a fase
3.1-18
Paso 4: Conversión a tensiones no disruptivas normalizadas
Ya calculadas las tensiones no disruptivas requeridas, se procede a seleccionar los valores normalizados de estas tensiones. Para este proceso se utilizan los valores estandarizados de la norma IEC 71-1 que se muestran en el apéndice 4.
Para sobretensiones temporales:
De fase a tierra:
De fase a fase:
Para sobretensiones de frente lento:
De fase a tierra:
40 De fase a fase:
Para sobretensiones de frente rápido:
De fase a tierra:
De fase a fase:
Las de tensiones soportadas obtenidas anteriormente, constituyen el nivel de aislamiento nominal a ser especificado para los equipos.
Selección de las tensiones no disruptivas normalizadas
En esta caso utilizamos los valores de la tabla A.5: “Niveles estándar de aislamiento para 1kV˂Um≤ 245kV (Gama I)”, mostrada en el apéndice 5. Esta tabla es tomada de la norma
IEC 60071-1, en la cual se clasifica de acuerdo con niveles de aislamiento normalizados asociados con los valores normalizados de la mayor tensión para el equipo Um, de la cual determinamos que Um= 36kV en este caso particular.
Por lo tanto los valores normalizados estándar considerados son:
Tensión soportada normalizada de corta duración a frecuencia
industrial: 70 kV.
41
Tabla 3.1 Cuadro resumen de coordinación de aislamiento para el sistema de 34,5 kV
TIPO DE SOBRETENSIÓN
TEMPORAL DE FRENTE LENTO DE FRENTE RÁPIDO
De fase a
tierra Entre fases
De fase a
tierra Entre fases
De fase a
tierra Entre fases
Aislamiento Externo Externo Externo
Etapa 1 Esfuerzos de tensión representativos en servicio Valores de Urp: 21 kV 36 kV 46 kV 92 kV -- -- Etapa 2 Tensiones no disruptivas de coordinación Valores de Kc o Kcd: Valores de Ucw: 1,0 21 kV 1,0 36 kV 1,0 46 kV 1,0 92 kV 1,0 46 kV 1,0 92 kV Etapa 3 Tensiones no disruptivas requeridas Factor de seguridad Ks: Correción de la altura Ka: Valores de Urw 1,05 1,2 26 kV 1,05 1,2 45 kV 1,05 1,2 58 kV 1,05 1,2 116 kV 1,05 1,2 58 kV 1,05 1,2 116 kV Etapa 4 Tensiones no disruptivas normalizadas Tensiones no disruptivas de ensayo requeridas
Corta duración a frecuencia industrial
Impulso tipo descarga atmosférica 28 kV 60 kV 50 kV 95 kV - - - - Etapa 5 Selección de tensiones no
disruptivas normalizadas
- - Impulso tipo descarga
atmosférica: 145 kV
42
4.
ESPECIFICACIÓN
TÉCNICA
DE
LOS
DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN A 34,5 kV
4.1
Objetivo
El objeto de esta especificación técnica es establecer los requerimientos mínimos que deben satisfacer los descargadores de sobretensión de óxido metálico a utilizar en la red de distribución de 34,5 kV.
4.2
Generalidades
4.2.1 Documentos aplicables:
IEC60099-4: Metal Oxide Surge Arresters Without Gaps for A.C Systems.
IEEE Std C62. 11-1999: IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters for AC Power Circuits (˃ 1 kv)
4.2.2 Condiciones de utilización: Condiciones eléctricas:
Tensión nominal: 34,5/ 19,92 kV.
Tensión máxima de servicio: 36 kV.
Sistema: Multiaterrizado.
Frecuencia nominal del sistema: 60 Hz.
Condiciones ambientales:
Temperatura máxima: 45°C
Temperatura mínima: 5°C
Humedad relativa: hasta 100%.
43
4.2.3 Normas técnicas y características técnicas generales:
Según las normas anteriormente mencionadas, los descargadores de sobretensión deben ser aptos para la protección del sistema en contra de sobretensiones producidas por operaciones de maniobra y originadas por el fenómeno de descargas atmosféricas.
Los descargadores de sobretensión de óxido metálico se deben de identificar con la siguiente información mínima: [19]
Tensión de operación continua.
Tensión nominal.
Frecuencia nominal
Corriente de descarga nominal
Corriente nominal de resistencia o soporte de cortocircuito en kiloamperios (kA).
Nombre o marca registrada del fabricante, tipo e identificación del descargador de sobretensiones completo
Año de fabricación
Numero de serie
Numero de pedido
Clase de descarga de línea o tipo de trabajo del descargador de sobretensiones
44
4.3
Definiciones:
LOTE: Cantidad determinada de descargadores de sobretensión que poseen características
similares o que son fabricados bajo condiciones de producción presumiblemente uniformes.
MUESTRA: Conjunto de pararrayos extraídos de un lote que sirve para obtener la
información necesaria que permita apreciar una o más características de ese lote, que servirán de base para una decisión sobre el mismo o sobre el proceso que lo produjo.
INSPECCIÓN: Proceso que consiste en medir, examinar, ensayar o comparar de algún
modo, la unidad en consideración con respecto a los requisitos preestablecidos.
NIVEL DE INSPECCIÓN: Número que identifica la relación entre el tamaño del lote y el
tamaño de la muestra.
DEFECTO: Incumplimiento de uno solo de los requisitos especificados para un pararrayo. DEFECTO CRÍTICO: defecto que puede producir condiciones peligrosas o inseguras
para quienes efectúan el montaje y mantenimiento del descargador de sobretensión ensamblado. Se considera también defecto crítico aquel tal que impida el funcionamiento o el normal desempeño de la red.
DEFECTO MAYOR: Defecto que no se considera critico pero puede provocar una falla o
reducir de forma material la utilidad de la unidad en su labor.
DEFECTO MENOR: Defecto que no produce la reducción material de la utilidad de la
unidad, pero produce una leve desviación de los requisitos establecidos que provoca una pequeña disminución en el uso eficaz de la unidad.
UNIDAD DEFECTUOSA: Unidad que posee uno o más defectos.
NIVEL DE CALIDAD ACEPTABLE: Máximo porcentaje defectuoso aceptable en una
45
4.4
Requisitos generales:
1. Deber ser del tipo exterior, con construcción robusta y diseñada para permitir un proceso de montaje simple en instalación vertical.
2. La unidad debe estar sellada completamente en su parte superior e inferior por medio de terminales de metal para evitar el filtrado de agua, que sean suficientemente fuertes para evitar presiones internas y cambios de temperatura debido a servicio normal. Los sellos de metal deben ser construidos para facilitar la conexión y montaje del descargador de sobretensión.
3. La unidad debe estar herméticamente sellada en todo su exterior para prevenir la entrada de humedad.
4. La cubierta exterior del pararrayos debe ser de porcelana o de algún material polimérico a base de porcelana con propiedades hidrofóbicas. El diseño de la cubierta exterior debe ser tal que no se presenten esfuerzos indebidos en ninguna de sus partes a causa de cambios en la temperatura.
5. En caso de utilizarse porcelana esta debe ser impermeable, de composición homogénea, libre de cavidades y porosidades.
6. Se deberá cumplir con los requisitos y ensayos declarados en la última versión de las normas anteriormente mencionadas. Y se debe incluir según la norma IEC 60099-4 los ensayos de penetración de la humedad y envejecimiento climático.
7. Los elementos metálicos que mantengan contacto entre sí, deben ser de naturaleza tal que no se produzca corrosión al par galvánico que pueda producirse en ambientes húmedos.
8. Las características físicas de dimensiones, cotas de fijación, tipos y materiales de los bornes del pararrayos deben ser indicados por el fabricante en su oferta.
9. Deberán ser de tecnología descargador de óxido metálico. Con una capacidad de corriente nominal de descarga de 10 kA.
46 10. Los descargadores de sobretensión deben ser del tipo distribución, de ciclo pesado (heavy duty) según la norma ANSI C.62 o clase 1 en la Norma IEC 99-4, para corrientes bajas de larga duración de 250 amperios x 2000 µs.
11. Rango de pararrayos (rating arrester) de 27 kV en norma ANSI C.62. 12. Máxima tensión de operación continua (MCOV): 22 kV.
13. Nivel básico del aislamiento a impulso atmosférico (BIL) : 150 kV
14. Distancia de arco: 311 mm y distancia de fuga 737 mm como valores mínimos aceptables.
15. Este no deberá traer ningún tipo de alambre o cable como terminal de línea, en la sección de conexión de la línea con tensión eléctrica, deberá traer una tuerca de Silicon Bronce, una grapa de cable de acero inoxidable y un protector universal de vida silvestre. El tornillo de conexión para la línea a tierra deberá ser de acero inoxidable con un diámetro de 3/8 de pulgada (9.53 mm) y montado en un aislador (desconectador ante descarga catastrófica), con una grapa de acero inoxidable y una tuerca de silicon bronce. La configuración de la base será con agarradera aislada, deberá traer información en placa de los valores indicados en la norma IEEE C62.11-1999 apartado 10.1.
16. Se requiere que todos los pararrayos cuenten con el desconectador ante descarga atmosférica para así evitar fallas continuadas a tierra y facilitar la identificación del pararrayos que ha fallado.
17. Los descargadores de sobretensión deben contar con un dispositivo de alivio de presión para evitar la ruptura del cuerpo del mismo en caso de presentarse altas presiones de gas ocasionadas por fallas.
47
4.5
Ensayos:
El fabricante debe notificar la fecha exacta de los ensayos con un tiempo de antelación de un mes, con el fin de enviar un representante de la empresa para que presencie los ensayos a los cuales serán sometidos los descargadores de sobretensión.
4.5.1 Ensayos tipo:
Al menos uno de los pararrayos del lote debe someterse a los siguientes ensayos: a. Ensayos de resistencia de aislamiento.
b. Ensayos de resistencia a los impulsos de corriente de larga duración. c. Ensayos de ciclo de operación.
d. Prueba al elemento de desconexión. e. Prueba al elemento liberador de presión. f. Prueba de contaminación
4.5.2 Ensayos de rutina:
De forma individual se debe realizar en cada uno de los pararrayos los siguientes ensayos, y se deberá notificar a la empresa para que se disponga de un representante de la misma durante los ensayos:
a. Medida de la tensión de referencia (Ur)
b. Ensayo de descargas parciales
c. Ensayos que verifiquen la homogeneidad y detecten fallas internas de cada uno de los bloques, de sellamiento de la cubierta del pararrayos.
48 e. Ensayos de verificación de la tensión residual:
Nivel de protección de frente de onda con características de 10 kA a 0.5 s, para equipos de fabricación bajo norma ANSI o de 10 kA a 1 s, para equipos de fabricación bajo norma IEC.
Máximo voltaje de descarga ante una onda con características de 8 x 20 s a 10 kA, para equipos bajo fabricación ANSI e IEC.
Nivel de protección ante frentes de onda producidos por operación de interruptores (Switching Surge Protective Level), con características de 45 x 60
s a 0.5 kA, para los equipos bajo fabricación ANSI o de 30 x 60 s a 0.5 kA, para equipos bajo fabricación IEC.
4.5.3 Ensayos de recepción:
Los ensayos de recepción serán realizados en el laboratorio del fabricante en presencia de un representante de la empresa y sobre un número entero de muestra que resulte representativo del lote, se considera aceptable una muestra correspondiente a la raíz cúbica del número de pararrayos del pedido con un mínimo de 3.
Según la norma IEC 60099-4 se veden considerar los siguientes ensayos de recepción: a. Examen visual donde se compruebe las dimensiones, características
constructivas y placa de características.
b. Medida de la tensión a frecuencia industrial sobre el pararrayos completo, correspondiente a la corriente de referencia medida en la base del pararrayos. c. Ensayo de tensión residual con impulso tipo rayo y corriente nominal.
