NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA 4616

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(1)NORMA TÉCNICA COLOMBIANA. NTC 4616 2001-11-28. PARARRAYOS. RECOMENDACIONES PARA SELECCIÓN Y USO. E:. SURGE ARRESTERS. SELECTION AND APPLICATION RECOMMENDATIONS. CORRESPONDENCIA:. esta norma es equivalente (EQV) a la IEC 60099-5. DESCRIPTORES:. pararrayos; sobretensión; contra el rayo.. descargador de protección eléctrica. I.C.S.: 29.120.50; 29.240.10 Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Bogotá, D.C. Tel. 6078888 Fax 2221435. Prohibida su reproducción. Primera actualización Editada 2001-12-18.

(2) PRÓLOGO. El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993. ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La NTC 4616 (Primera actualización) fue ratificada por el Consejo Directivo del 2001-11-28. Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través de su participación en el Comité Técnico 383103 Aparatos para subestaciones de media y alta tensión. LUMINEX MELEC S.A. SCHNEIDER Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas: AISLA LTDA. ALSTOM T Y D ASEA BROWN BOVERI CELSA CODENSA CHEC DIMELCO DISICO LTDA. ELECTRIFICADORA DE SANTANDER S.A. EMPRESA DE ENERGÍA DE CUNDINAMARCA ICONTEC cuenta con un Centro de Información normas internacionales, regionales y nacionales.. EMPRESAS MUNICIPALES DE CALI EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN INTERCONEXIÓN ELÉCTRICA S. A. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO TECNA UNIVERSIDAD DEL VALLE VELÁSQUEZ que pone a disposición de los interesados DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN.

(3) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA. NTC 4616 (Primera actualización). PARARRAYOS. RECOMENDACIONES PARA SELECCIÓN Y USO. INTRODUCCIÓN Esta norma se destina a permitir una selección y una aplicación óptimas de los pararrayos cuyas características se especifican en la NTC 2166 (IEC 99-1) y en la NTC 4389 (IEC 99-4). Se pueden utilizar métodos de cálculo más complejos que los indicados aquí para obtener una determinación más precisa de los requisitos de la red considerada; sin embargo, conviene que estos métodos estén de acuerdo con los principios expuestos en la presente norma. Las características de los pararrayos resultantes de la aplicación de esta norma serán diferentes entre una red y otra. Ninguna aplicación numérica particular puede ser mencionada como mejor que otra. No obstante, es probable que para ciertas redes, o para ciertos países, los requisitos de confiabilidad y el diseño de las redes sean suficientemente uniformes para que las recomendaciones de esta norma se puedan expresar mediante la definición de rangos limitados de pararrayos. Los usuarios de pararrayos no tendrán que aplicar para cada nueva instalación todo el proceso presentado aquí, sino que puede aplicar la selección de características resultantes de la práctica anterior. Las autoridades competentes de cada país pueden introducir los valores numéricos correspondientes en el Anexo B. SECCIÓN 1: GENERALIDADES 1.1. OBJETO. Esta norma suministra recomendaciones para la selección y uso de pararrayos utilizables en redes trifásicas de tensión nominal superior a 1 kV. La norma se refiere a los pararrayos de resistencia no lineal con descargadores conformes con la NTC 2166 (IEC 99-1), así como los pararrayos de óxido metálico sin descargador conformes con la NTC 4389 (IEC 99-4). 1.2. NORMAS QUE SE DEBEN CONSULTAR. Las siguientes normas contienen disposiciones que, mediante la referencia dentro de este texto, constituyen disposiciones de esta norma. En el momento de su publicación eran válidas las ediciones indicadas. Todas las normas están sujetas a actualización; los participantes, mediante acuerdos basados en esta norma, deben investigar la posibilidad de aplicar la última versión de las normas mencionadas a continuación. 1.

(4) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA. NTC 4616 (Primera actualización). NTC 3328:1992, Coordinación de aislamiento. Términos, definiciones, principios y reglas (IEC 71-1). NTC 3379:1992, Ensayos de contaminación artificial en aisladores de alta tensión para sistemas de corriente alterna (IEC 507) NTC 3389:1992, Coordinación de aislamiento. Guía de aplicación (IEC 71-2). NTC 4389:1998, Descargadores de sobretensiones (pararrayos de óxido metálico sin espaciadores (Without Gaps)) para sistemas de corriente alterna. (IEC 99-4) NTC 2166:2000, Descargadores de sobretensiones de resistencia variable con explosores para redes de corriente alterna (IEC 99-1). IEC 99-3:1990, Surge Arresters- Part 3: Artificial Pollution Testing of Surge Arresters Nota. Este informe técnico se aplica a pararrayos con descargadores de acuerdo con la NTC 2166 (IEC 99-1).. IEC 815: 1986, Guide for the Selection of Insulators in Respect of Polluted Conditions 1.3. PRINCIPIOS GENERALES PARA LA APLICACIÓN DE PARARRAYOS. La NTC 3328 (IEC 71-1) especifica tensiones no disruptivas para los dos rangos siguientes de las tensiones más elevadas para el equipo: -. rango I: tensión superior a 1 kV e inferior o igual a 245 kV. -. rango II: tensión superior a 245 kV. En las redes aéreas o mixtas del rango I, los equipos están amenazados principalmente por descargas de rayos inducidos y directos sobre las líneas aéreas a las cuales están conectados. En las redes que no estén conectadas a líneas aéreas, las sobretensiones más susceptibles de producirse son ocasionadas por fallas o por maniobras. Sin embargo, en circunstancias poco frecuentes, es posible que se presenten sobretensiones inducidas por descargas de rayos. En las redes del rango II, además de los factores mencionados para el rango I, las sobretensiones de maniobra vienen a ser importantes, y tanto más cuando la tensión de la red es elevada. Las sobretensiones pueden provocar descargas disruptivas y desgastes serios de los equipos, y comprometer así el suministro de energía para los usuarios. Es indispensable evitar esto mediante una coordinación apropiada entre los pararrayos y el nivel de aislamiento. Es recomendable, por lo tanto, el uso de pararrayos cuando existe la posibilidad de sobretensiones por rayos o por maniobras, las cuales pueden ser peligrosas para el equipo. Es deseable que estos pararrayos sean elementos confiables de la red. Los pararrayos se diseñan de tal modo que puedan resistir las tensiones y las corrientes transferidas a través de ellos, con una confiabialidad suficientemente grande en que se tenga en cuenta la contaminación y otros problemas relativos al sitio. Para cada categoría de red, estos esfuerzos de tensión son (véase la NTC 3328 (IEC 71-1)):. 2.

(5) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA. NTC 4616 (Primera actualización). -. la tensión de operación. -. las sobretensiones temporales. -. las sobretensiones de frente lento. -. las sobretensiones de frente rápido.. Las sobretensiones de frente lento debidas a operaciones tienen una importancia especial en el caso de los pararrayos que protegen equipos del rango II. En general, una buena protección de los equipos y el uso de pararrayos de tensiones nominales elevadas son requisitos contradictorios. La selección de un pararrayos conveniente es entonces un proceso de optimización que debe tomar en consideración un gran número de parámetros relativos a la red y a los parámetros del equipo. Los pararrayos de óxido metálico sin descargador son particularmente adecuados para las redes con neutro puesto a tierra porque ellos ofrecen una mejor protección contra las sobretensiones de frente lento. En estas redes la utilización de pararrayos tiende a ser esencialmente de los del tipo de óxido metálico. Los pararrayos con descargadores pueden ofrecer ventajas en algunas redes con neutro aislado o puestas a tierra mediante bobina de compensación, para las cuales las sobretensiones temporales debidas a una falla a tierra pueden ser de larga duración y en que se requiera un bajo nivel de protección. Además de que ha sido el tipo de pararrayos utilizado tradicionalmente en todos los rangos de tensiones, el uso de pararrayos con descargadores puede ser adecuado para las redes del rango I, en particular para las tensiones más bajas del rango. 1.4. PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA SELECCIÓN DE PARARRAYOS. El procedimiento iterativo siguiente, descrito en el diagrama de flujo de la Figura 1, es recomendable para la selección de los pararrayos: -. se determina la tensión de régimen permanente del pararrayos en función de la tensión de servicio más elevada de la red. -. se determina la tensión nominal del pararrayos en función de las sobretensiones temporales.. 3.

(6) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA. NTC 4616 (Primera actualización). Figura 1. Diagrama de flujo para la selección de pararrayos. 4.

(7) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA -. NTC 4616 (Primera actualización). se estima la amplitud y la probabilidad de las corrientes de descarga de rayos previsibles a través del pararrayos, se determinan los esfuerzos ligados a la descarga de las líneas de transmisión y se selecciona la corriente nominal de la descarga, el valor de impulso de corriente de gran amplitud y la clase de descarga de línea del pararrayos. Nota. Si se necesitan valores de corriente de gran amplitud diferentes de los valores normalizados (véase la NTC 4389 (IEC 99-4), Tabla 6, nota), estos valores se deben seleccionar en función de la corriente de descarga del rayo.. -. se selecciona la clase de aliviador de presión del pararrayos en función de la corriente de falla previsible.. -. se selecciona un pararrayos adaptado a los requisitos formulados antes.. -. se determinan las características de protección a los impulsos tipo maniobra y tipo rayo.. -. se coloca el pararrayos tan cerca como sea posible del aparato a proteger.. -. se determina la coordinación de la tensión no disruptiva al impulso tipo maniobra del equipo protegido, teniendo en cuenta las sobretensiones de frente lento representativas y la configuración de la red.. -. se determina la coordinación de la tensión no disruptiva al impulso tipo rayo, teniendo en cuenta: *. la sobretensión tipo rayo incidente representativo definido por el comportamiento de la línea a esta sobretensión y la tasa de falla aceptable del equipo protegido.. *. la configuración de la subestación.. *. la distancia entre el pararrayos y el equipo protegido.. -. se determina el nivel de aislamiento nominal del equipo según la NTC 3328 (IEC 71-1).. -. si se desea que el nivel de aislamiento nominal del equipo sea menor que el obtenido, es recomendable estudiar soluciones tales como la selección de una tensión de régimen permanente menor, de una tensión nominal menor, de una corriente nominal de descarga mayor, de una clase de descarga de línea mayor, de un diseño diferente del pararrayos o de una reducción de la distancia entre el pararrayos y el equipo protegido. Nota. Una tensión de servicio permanente o una tensión nominal menor puede disminuir la confiabilidad en servicio de los pararrayos.. Este procedimiento iterativo se detalla en las secciones 2, 3 y 4 de este documento. 5.

(8) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 1.5. NTC 4616 (Primera actualización). RESISTENCIA A LA CONTAMINACIÓN DE LA CUBIERTA DEL PARARRAYOS. Los depósitos de contaminación sobre la cubierta pueden causar descargas disruptivas o un aumento de la temperatura de los dispositivos de repartición de tensión en los pararrayos con descargadores y un fuerte aumento de temperatura de los varistores en los pararrayos de óxido metálico. Como precaución contra las fallas de los pararrayos en las zonas contaminadas, es necesario seleccionar pararrayos con capacidad de soportar las condiciones de contaminación locales. Aunque esto no se especifica explícitamente en la NTC 2166 (IEC 99-1) ni en la NTC 4389 (IEC 99-4), es conveniente que los pararrayos utilizados en condiciones de servicio normales resistan los esfuerzos del nivel de contaminación II (contaminación promedio) definidas en la NTC 3389 (IEC 71-2). Si el entorno donde el pararrayos esté instalado está sometido a un nivel de contaminación más elevado, esto puede disminuir la eficacia del pararrayos. Si se utilizan pararrayos de diseño inadecuado en zonas fuertemente contaminadas (nivel III) o muy fuertemente contaminadas (nivel IV), puede ser eficaz una limpieza o un engrase periódico como precaución contra los efectos mencionados antes. Cuando haya el propósito de efectuar una limpieza bajo tensión, es necesario asegurarse que los pararrayos hayan sido diseñados para tales condiciones de funcionamiento. SECCIÓN 2: PARARRAYOS DE RESISTENCIA NO LINEAL CON DESCARGADORES SEGÚN LA NTC 2166 (IEC 99-1) 2.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARARRAYOS CON DESCARGADORES. 2.1.1. Generalidades. Las características fundamentales de los pararrayos con descargadores en serie son su tensión nominal, sus tensiones de descargas, sus corrientes nominales de descarga y sus tensiones residuales a estas corrientes. El desempeño de la protección se caracteriza por las tensiones de descargas al frente de onda y al impulso tipo rayo, así como los impulsos tipo maniobra cuando esto es aplicable; también se caracteriza por las tensiones residuales a la corriente nominal de descarga y, cuando sea aplicable, a las corrientes de impulso tipo maniobra. Para determinada tensión nominal, existen diferentes tipos de pararrayos y, por consiguiente, diferentes niveles de protección. Se deben tomar en consideración otras características de los pararrayos: tensión de régimen permanente, clase de descarga de larga duración, clase de aliviador de presión, resistencia bajo contaminación, aptitud para la limpieza bajo tensión y propiedades mecánicas particulares. 2.1.2. Tensión nominal. Es el valor máximo admisible de la tensión eficaz a frecuencia industrial entre los terminales del pararrayos, para la cual éste último ha sido diseñado si se quiere que funcione correctamente, según las condiciones del ensayo de funcionamiento. La tensión nominal se utiliza como un parámetro de referencia para la especificación de las características de funcionamiento. Nota. Ciertos pararrayos destinados a las redes del rango II son diseñados para que se desactiven a tensiones de frecuencia industrial superiores a la tensión nominal. Esta tensión suele llamarse “tensión de desactivación en sobretensión temporal”. Dado que la NTC 2166 (IEC 99-1) no especifica ningún ensayo susceptible de demostrar el funcionamiento correcto de tales pararrayos, es recomendable que entre el usuario y el fabricante se acuerden las modalidades de ensayo y de utilización.. 6.

(9) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA. NTC 4616 (Primera actualización). En ciertos casos, por ejemplo para el ensayo de contaminación según la norma IEC 99-3, conviene conocer el valor máximo de la tensión eficaz a frecuencia industrial que se pueda aplicar de manera permanente entre los terminales del pararrayos. Para los pararrayos destinados a proteger los equipos del rango I según la NTC 3328 (IEC 71-1), esta tensión puede ser igual a la tensión nominal del pararrayos. La tensión nominal suele ser inferior en el caso de pararrayos del rango II. Dado que la NTC 2166 (IEC 99-1) no especifica ningún ensayo para fijar el valor de esta tensión, conviene obtener del fabricante el valor que se deba utilizar. 2.1.3. Niveles de protección. El nivel de protección a los impulsos tipo rayo es el más elevado de los valores siguientes: -. tensión de descargas de impulso tipo rayo normalizado:. -. tensión residual a la corriente nominal de descarga.. Nota. Cuando interese proteger equipos contra las sobretensiones de frente rápido, se considera que el aislamiento sumergido en aceite de transformadores es al menos 15 % mayor que su resistencia al impulso tipo rayo en onda plena para sobretensiones de duración inferior a 3 µs. En consecuencia, las tensiones máximas especificadas en la NTC 2166 (IEC 99-1), Tabla 8, para descargas disruptivas de frente de onda son 15 % mayores que los del impulso tipo rayo normalizado.. Otros tipos de aislamiento, como en los transformadores de medida, los cables o las subestaciones bajo cubierta metálica y el aislamiento gaseoso, pueden tener características de resistencia diferentes, y la tensión de descargas disruptivas de frente de onda puede entonces requerir una atención particular. El nivel de protección en el impulso tipo maniobra se aplica en el apantallamiento de equipos contra las sobretensiones de frente lento. Es el mayor de los valores entre la tensión de descargas disruptivas de impulso tipo maniobra y la tensión residual de impulso tipo maniobra. Nota. Cuando no se conoce la característica de descargas disruptivas de impulso tipo maniobra de un tipo de pararrayos, sólo se puede obtener una información aproximada mediante la tensión de descargas disruptivas a frecuencia industrial.. 2.1.4. Corriente nominal de descarga. Es el valor de cresta de una corriente de descarga de forma de onda 8/20, que se utiliza para definir un pararrayos. Es igualmente la corriente de descarga que se utiliza para iniciar la corriente siguiente en el curso del ensayo de funcionamiento y para establecer el nivel de protección del pararrayos frente a las sobretensiones tipo rayo. 2.1.5. Clase de descarga de larga duración. Es el número relativo a la capacidad de absorción de energía de un pararrayos durante descargas de línea de gran longitud. Los números crecientes (véase la Tabla 5 de la NTC 2166 (IEC 99-1)) corresponden a valores crecientes de la red y a una longitud de línea más grande, así como a factores de sobretensiones y de impedancias de onda decrecientes.. 7.

(10) NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 2.1.6. NTC 4616 (Primera actualización). Clase de aliviador de presión. Es el número relativo a la capacidad de un pararrayos para resistir las corrientes de falla interna, que sobrevienen después de una falla, sin explosión violenta de la cubierta (véase el numeral 8.7 de la NTC 2166 (IEC 99-1)). 2.1.7. Resistencia bajo contaminación. Para los pararrayos destinados a ser utilizados en zonas contaminadas de los niveles III y IV según la NTC 3389 (IEC 71-2), es recomendable un ensayo de contaminación según la norma IEC 99-3. Este ensayo permite obtener informaciones sobre las características de descargas disruptivas. La resistencia a descargas disruptivas en la cubierta se puede verificar de acuerdo con la NTC 3379 (IEC 507). 2.1.8. Aptitud para la limpieza bajo tensión. La limpieza bajo tensión puede hacer necesario un diseño especial de los pararrayos. La resistencia se verifica mediante ensayos apropiados que se deben definir. En lo referente al diseño de los equipos de limpieza, conviene prestar una atención particular a los puntos siguientes: -. se debe utilizar agua que tenga una resistividad conveniente:. -. la presión y la disposición de los pulverizadores deben ser tales que la totalidad del pararrayos, tanto sobre su longitud como sobre su circunferencia, sea humedecido lo más uniformemente posible y en el mismo momento. Por esta razón, es necesario tener en cuenta la máxima velocidad permisible del viento.. 2.2. SELECCIÓN DE PARARRAYOS CON DESCARGADORES. CONECTADOS ENTRE FASE Y TIERRA. 2.2.1. Tensión nominal. Es común considerar que un pararrayos debe soportar los esfuerzos debidos a las sobretensiones temporales resultantes de una falla a tierra en una fase que implique un aumento de la tensión en las fases siguientes en el momento en que se produzca un funcionamiento del pararrayos sobre una de estas fases. Se pueden producir sobretensiones temporales por otras razones, y es recomendable seleccionar la tensión nominal del pararrayos teniendo en cuenta la sobretensión más elevada. En ciertos casos, también puede ser necesario considerar las sobretensiones temporales resultantes de la aparición simultánea de diferentes fenómenos, como una pérdida súbita de la carga y una falla a tierra, teniendo en cuenta su probabilidad de aparición. Siempre es recomendable tener en cuenta las siguientes causas de sobretensiones temporales:. 8.

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