CONTENIDO TEMÁTICO.
INTRODUCCIÓN………6
OBJETIVO...7
CONCEPTOS CLAVES. 1. EQUIPOS PRIMARIOS DE UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA………..9
1.1. DEFINICIÓN, CLASIFICACIÓN Y ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN………...9
- Subestación eléctrica……….9
- Definición de los sistemas de distribución………10
- Clasificación de los sistemas de distribución.……….10
- Clasificación de las subestaciones………12
o De acuerdo a su función o Por su construcción - Elementos constitutivos de una subestación………...13
1.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIA………16
1.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA.16 o Por tipo de núcleo o Por tipo de enfriamiento o Por el número de fases o Por su localización o Por su capacidad o Por su aplicación o Por el tipo de preservación del aceite o Por su conexión - Aislamientos………..17
o Factores que afectan la vida útil de los aislamientos o Principales materiales para los aislamientos - Accesorios y componentes más comunes en los transformadores de potencia……….18
1.3. INTERRUPTORES DE POTENCIA………18
1.3.1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE INTERRUPTORES……….18
- ¿Como funciona un transformador de potencia?...18
- Clasificación por tipo de cámara interruptiva………...19
- Clasificación por medio de extinción……….20
- Clasificación por tipo de mecanismo de accionamiento………20
- Clasificación por el nivel de tensión de operación………..21
- Clasificación por ubicación de contactos del interruptor………21
1.3.2. INTERRUPTORES DE GRAN VOLUMEN DE ACEITE Y DE PEQUEÑO VOLUMEN DE ACEITE………22
- Mantenimiento efectuado a interruptores con medio de extinción en aceite………..22
1.3.4. INTERRUPTORES EN VACÍO………23
- Mantenimiento efectuado a interruptores con medio de extinción en vacío………...23
1.3.5. INTERRUPTORES DE HEXAFLORURO DE AZUFRE (SF6)……...23
- Mantenimiento Efectuado a interruptores con medio de extinción en SF6……….24
1.3.6. ESPECIFICACIONES DE LOS INTERRUPTORES POTENCIA…...24
1.3.7. SELECCIÓN DE INTERRUPTORE DE POTENCIA………25
- Por nivel de tensión de operación……….25
- Por ubicación de contactos del interruptor………...25
- Características nominales de los interruptores de potencia……….26
- Condiciones operativas de los interruptores de potencia………..26
- Fallas características de los interruptores de potencia………..26
- Pruebas eléctricas aplicadas a los interruptores de potencia…………...21
1.4. CUCHILLAS Y FUSIBLES………...30
1.4.1. Definición y operación de cuchillas conectadotas……….30
1.4.2. Fusibles de potencia y sus curvas de operación………...30
1.4.3. Especificaciones de cuchillas y fusibles………..33
1.5. APARTARRAYOS………...…..35
1.5.1. NATURALEZA DE LAS SOBRE TENSIONES Y SUS EFECTOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA………..35
- Sobre tensiones de tipo externo………35
- Sobre tensiones de tipo interno……….42
1.5.2. DEFINICIÓN Y OPERACIÓN DE APARTARRAYOS………...44
- Apartarrayos………..44
- Cuernos de arqueo………..44
- Apartarrayos autovalvulares………...44
- Apartarrayos de óxidos metálicos………..45
- Ventajas de los apartarrayos de óxidos contra los autovalvulares……..45
1.5.2.1. NIVEL BÁSICO AL IMPULSO MANIOBRA……….46
1.5.2.2. NIVEL BÁSICO AL IMPULSO DE DESCARGAS………..46
1.5.2.3. DISTANCIA DE NO FLAMEO………48
1.5.2.4. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO………..51
1.6. MANTENIMIENTO A EQUIPO PRIMARIO………...…56
2. EQUIPOS SECUNDARIOS……….57
2.1. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO………...57
2.1.1. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (TCs)………..57
- Funciones principales………..58
2.1.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TPs)………58
- Conexión de los transformadores de potencial………...59
2.2. BANCOS DE BATERÍAS……….60
- Clasificación de los bancos de baterías………...60
- Tensiones de los bancos de baterías en la subestación………...60
- Componentes de una batería ácido-plomo………..60
- Actividades de mantenimiento a un banco de baterías ácido-plomo…..61
2.3. BANCOS DE CAPACITORES……….61
- ¿Qué son los capacitores?...61
- Aplicaciones de los capacitores……….61
- Pruebas eléctricas a capacitores………...61
2.4. TABLEROS DE TRANSFERENCIA………...62
- Descripción básica de operación del sistema………..62
- Tablero de transferencia comandado por microcontrolador………..63
2.5. MANTENIMIENTO A EQUIPO SECUNDARIO………67
3. ESTRUCTURAS, TIERRAS Y DIAGRAMAS UNIFILARES……….68
3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ESTRUCTURAS………68
3.1.1. PARA SUBESTACIONES……….68
3.1.2. PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN………..69
3.2. SISTEMAS DE TIERRA………71
3.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TIERRA……….71
3.2.2. CÁLCULO DE TENSIÓN DE PASO Y DE CONTACTO………..71
3.2.3. CÁLCULO DE LA RED DE TIERRA………74
- Subsistemas de puesta a tierra………..77
3.3. DIAGRAMAS UNIFILARES……….78
3.3.1. Simbología………79
3.3.2. DIFERENTE TIPOS DE SUBESTACIONES………102
4. PRUEBAS DE RUTINA A TRANSFORMADORES………..103
4.1. PRUEBAS DE POLARIDAD Y RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN………..103
4.2. PRUEBA DE RIGIDÉZ DIELÉCTRICA DEL ACEITE………...103
4.3. PRUEBA DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO………..103
4.4. PRUEBAS AL SISTEMA DE TIERRA……….103
4.5. MANTENIMIENTO A TRANSFORMADORES………...103
- Pruebas eléctricas………..104
5. PROYECTO DE UNA SUBESTACIÓN………...105
5.1 ELABORACIÓN DE UN PROYECTO DE UNA SUBESTACIÓN……105
MATERÍAL Y EQUIPO A UTILIZARSE. PRESENTACIÓN DEL MATERÍAL.
ELEMENTOS INTRODUCTORIOS DEL MATERÍAL. INSTRUCTIVO DE OPERACIÓN DEL MATERÍAL. RECURSOS DE APOYO.
DESARROLLO DE INSTRUCCIONES.
- Práctica Número 1. identificación de partes y equipos e una subestación eléctrica……….126 - Práctica Número 2. Inspección visual del transformador de
potencia………...129 - Práctica Número 3. Prueba de resistencia de aislamiento………131 - Práctica Número 4. Prueba de relación de transformación…………..136 - Práctica Número 5. Prueba del factor de potencia……….139 - Práctica Número 6. Prueba de rigidez dieléctrica del aceite…………143 - Práctica Número 7. Pruebas al sistema de tierra………...145
OBSERVACIONES. LISTA DE COTEJO.
INTRODUCCIÓN.
Es bien sabido que la educación técnica superior, es parte fundamental del crecimiento tecnológico de este país, por esta razón se desarrolla el siguiente manual de prácticas, para que los alumnos del Instituto Tecnológico Superior de Puerto Vallarta que cursen la materia de subestaciones eléctricas cuenten con una herramienta eficaz que les ayude a comprobar y diseminar que los aspectos teóricos analizados en una aula dejan un sustento de la aplicación en campo; herramienta que además de eficaz será muy útil, complementando así la materia, tanto para los aspectos teóricos como los prácticos que conforman el programa de dicha materia.
Con la implementación de la guía de prácticas de subestaciones eléctricas, se atacan las deficiencias que pudieran existir en el alumno después de haber analizado todos aquellos aspectos y términos teóricos que competen al programa de subestaciones eléctricas de este Instituto Tecnológico Superior, ya que se lleva a la práctica real ya sea en un taller adecuado para dicho experimento o en campo aquello que en su momento se estudió teóricamente en el aula; complementando así el aprendizaje de los alumnos.
Es importante conocer los aspectos prácticos que abarca el área de subestaciones eléctricas, dentro de estos aspectos podemos hablar de mediciones y pruebas, que se deben de realizar a los diferentes equipos y dispositivos que conforman una subestación eléctrica. Todo esto nos lleva a ver y conocer la realidad física y práctica de campo del área que se esta tratando.
No se debe dejar a un lado un punto tan importante como lo son las normas y estándares vigentes que aplican para el ramo de subestaciones eléctricas, en ellas encontraremos todas las reglas que aplican para el área de subestaciones eléctricas, así como las limitaciones que se deben de considerar al diseñar, calcular, instalar, operar y dar servicio a una subestación eléctrica con la finalidad de proteger al personal, los equipos y el medio que en su momento pudiera verse afectado.
OBJETIVO.
Obtener por medio del manual de subestaciones eléctricas, una herramienta para que el alumno que cursa la materia la pueda utilizar para complementar los conocimientos teóricos que previamente se han estudiado en el aula, logrando así enriquecer sus conocimientos y despejar aquellas dudas que pudieran existir y haber quedado después de haber estudiado cualquier tema teóricamente, llevando a la práctica real y de campo lo que en el aula ya se ha estudiado.
Complementar los conocimientos teóricos adquiridos, al conocer en la práctica real y de campo los procedimientos para realizar pruebas y mediciones que corresponden a las subestaciones eléctricas, así como los instrumentos y herramientas de medición y prueba que competen a esta área.
Hacer del conocimiento a los alumnos, de las normas y estándares que aplican y rigen para el área de subestaciones eléctricas, los que conlleva a una formación profesional de esta área tan importante.
1. EQUIPOS PRIMARIOS DE UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA.
1.1. DEFINICIÓN, CLASIFICACIÓN Y ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN.
SUBESTACIÓN ELÉCTRICA.
En función a su diseño son las encargadas en interconectar líneas de transmisión de distintas centrales generadoras, transformar los niveles de tensión para su transmisión o consumo.
Instalación industrial empleada para la transformación de tensión de la corriente eléctrica. Las subestaciones eléctricas se ubican en las inmediaciones de las centrales eléctricas para elevar la tensión a la salida de sus generadores y en las cercanías de las poblaciones y los consumidores, para bajarlo de nuevo.
Sin duda la denominación de una subestación como transmisión o distribución es independiente de las tensiones involucradas, y está determinada por el fin a que se destinó.
El objetivo a cumplir por una subestación es determinante en su ubicación física. Para esto, las subestaciones de transmisión están ubicadas alejadas de los centros urbanos, esto facilita, el acceso de líneas de alta tensión y la localización de terrenos lo suficientemente grandes para albergar en forma segura los delicados equipos para el manejo de alta tensión.
Por otra parte las subestaciones de distribución deben construirse en función del crecimiento de la carga, es decir, deben estar ubicadas en los centros de carga de áreas urbanizadas para, de esta forma, asegurar la calidad y continuidad del servicio al usuario.
Es claro que por las características funcionales de cada subestación, no deben mezclarse en una instalación, equipos de transmisión y distribución. La utilización de este tipo de subestaciones debe limitarse exclusivamente a aquellos casos de claras justificaciones técnico económico.
Las subestaciones de distribución son alimentadas desde las subestaciones de transmisión con líneas o cables de potencia a la tensión de 230 u 85 kV, es lógico suponer que esta tensión no debe considerarse como de transmisión ni distribución para esta condición intermedia, se desarrolla el concepto de subtransmisión.
Los niveles de tensión para su aplicación e interpretación se consideran conforme lo indican las tarifas para la venta de energía eléctrica en su sección de aspectos generales, siendo:
1. Baja tensión es el servicio que se suministra en niveles de tensión menores o iguales a 1 kV.
2. Media tensión en el servicio que se suministra en niveles de tensión mayores a 1 kV. Pero menores o iguales a 35 kV.
3. Alta tensión a nivel subtransmisión es el servicio que se suministra en niveles de tensión mayor a 35 kV. Pero menores a 220 kV.
4. Alta tensión a nivel transmisión es el servicio que se suministra en niveles de tensión iguales o mayores a 220 kV.
Actualmente en nuestro país, la industria eléctrica está incrementando día con día su actividad, ya que tiene que satisfacer la demanda de su gran población. Es por esto, que el Sector Eléctrico tiene que desarrollar nuevas técnicas y métodos para su utilización en el suministro de energía eléctrica; ya que al haber más actividad, es inminente la urgencia de una mejor optimización de los sistemas eléctricos.
DEFINICIÓN DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN.
¿Qué es lo que en realidad significa el término sistemas de distribución? Tal vez no esté perfectamente definido internacionalmente; sin embargo, comúnmente se acepta que es el conjunto de instalaciones desde 120 Volts hasta tensiones de 34.5 kV encargadas de entregar la energía eléctrica a los usuarios a los niveles de tensión normalizados y en las condiciones de seguridad exigidas por los reglamentos.
En el nivel de baja tensión por lo general hay confusiones con las instalaciones internas o cableados de predios comerciales o grandes industrias y en tensiones mayores de los 34.5 kV como es el caso de cables de subtransmisión de 85 kV que se traslapan con tensiones mayores, especialmente en países industrializados en que la población urbana es alta, y se consideran estas tensiones como de distribución.
Los sistemas de distribución, ya sea que pertenezcan a empresas privadas o estatales, deben proyectarse de modo que puedan ser ampliados progresivamente, con escasos cambios en las construcciones existentes tomando en cuenta ciertos principios económicos, con el fin de asegurar un servicio adecuado y continuo para la carga presente y futura al mínimo costo de operación.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN. En función de su construcción estos se pueden clasificar en:
- Sistemas aéreos. - Sistemas subterráneos. - Sistemas mixtos.
- Sistemas aéreos. Estos sistemas por su construcción; se caracterizan
por su sencillez y economía, razón por la cual su utilización está muy generalizada. Se emplean principalmente para:
1. Zonas urbanas con: a) Carga residencial. b) Carga comercial. c) Carga industrial. 2. Zonas rurales con:
a) Carga doméstica.
b) Carga de pequeñas industrias.
Los sistemas aéreos están constituidos por transformadores, cuchillas, apartarrayos, cortacircuitos fusibles, cables desnudos, etc. Los que se instalan en postes o estructuras de distintos materiales.
La configuración mas sencilla para los sistemas aéreos es del tipo arbolar, la cual consiste en conductores desnudos de calibre grueso en el principio de la línea y de menor calibre en las derivaciones a servicios o al final de la línea. Cuando se requiere una mayor flexibilidad y continuidad del servicio es posible utilizar configuraciones más elaboradas.
Los movimientos de carga se llevan a cabo con juegos de cuchillas de operación con carga, que son instaladas de manera conveniente para efectuar maniobras tales como: trabajos de emergencia, ampliaciones del sistema, conexión de nuevos servicios, etc. En servicios importantes tales como: hospitales, edificios públicos, fábricas que por la naturaleza de su proceso de producción no permiten la falta de energía eléctrica en ningún momento; se instalan dos circuitos aéreos, los cuales pueden pertenecer a la misma subestación de distribución, o de diferentes subestaciones, esto se realiza independientemente a que la mayoría de estos servicios cuentan con plantas de emergencia con capacidad suficiente para alimentar sus áreas más importantes.
En este tipo de sistema se encuentra muy generalizado el empleo de seccionadores, como protección de la línea aérea, para eliminar la salida de todo el circuito cuando hay una falla transitoria.
- Sistemas subterráneos. Estos sistemas se construyen en zonas
urbanas con alta densidad de carga y fuertes tendencias de crecimiento, debido a la confiabilidad de servicio y la limpieza que estas instalaciones proporcionan al paisaje. Naturalmente, este aumento en la confiabilidad y en la estética involucra un incremento en el costo de las instalaciones y en la
especialización del personal encargado de construir y operar este tipo de sistema.
Los sistemas subterráneos están constituidos por transformadores tipo interior o sumergible, cajas de conexión, interruptores de seccionamiento, interruptores de seccionamiento y protección, cables aislados, etc. los que se instalan en locales en interior de edificios o en bóvedas, registros y pozos construidos en banquetas. Los principales factores que se deben analizar al diseñar un sistema subterráneo son:
* Densidad de carga. * Costo de la instalación. * Grado de confiabilidad. * Facilidad de operación. * Seguridad
- Sistemas mixtos, este sistema es muy parecido al sistema aéreo,
siendo diferente únicamente en que los cables desnudos sufren una transición a cables aislados. Dicha transición se realiza en la parte alta del poste y el cable aislado es alojado en el interior de ductos para bajar del poste hacia un registro o pozo y conectarse con el servicio requerido.
Este tipo de sistema tiene la ventaja de eliminar una gran cantidad de conductores, favoreciendo la estética del conjunto, disminuyendo notablemente el número de fallas en el sistema de distribución y por ende aumentando la confiabilidad del mismo.
CLASIFICACIÓN DE SUBESTACIONES. DE ACUERDO A SU FUNCIÓN.
- De tensión (elevadoras o reductoras). - Subestaciones de maniobra o enlace. - Subestaciones Mixtas.
- Rectificadoras.
POR SU CONSTRUCCIÓN.
- Subestación compacta tipo interior.
- Subestación tipo exterior.
- Blindadas.
ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA SUBESTACIÓN. - Mufas de llegada.
- Cuchillas desconectadoras de operación con carga.
- Interruptor fusible.
- Fusible.
- Apartarrayos.
- Banco de baterías.
- Tableros de distribución. - Equipos de medición. - Transformador de potencia.
- Instrumentos indicadores del transformador de potencia.
- Buses.
- Dispositivos de control y protección (como elementos secundarios).
1.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIA.
En el proceso de generación – consumo de energía eléctrica, se puede observar que se emplean diferentes tensiones, desde la generación, transformación, distribución y comercialización de la energía. Los equipos que desempeñan la función de hacer variar las tensiones a los diferentes valores requeridos, reciben el nombre de transformadores. Por lo que se puede definir que un transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro sin cambiar la frecuencia y la potencia. Lo hace bajo el principio de inducción electromagnética y tiene circuitos eléctricos aislados entre si que son eslabonados por un circuito magnético común.
1.2.1. CLASIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES. POR TIPO DE NÚCLEO.
- Acorazados. - De columnas.
POR TIPO DE ENFRIAMIENTO. - OA. - OA/FA1. - OA/FA/FOA. - OW. - FOW - AA.
POR EL NÚMERO DE FASES. - Monofásicos.
POR SU LOCALIZACIÓN. - Interior.
- Intemperie. POR SU CAPACIDAD.
- De potencia 500kva y mayores. - De distribución 500kva y menores. POR SU APLICACIÓN. - Elevadores. - Reductores. - De instrumento. - De tierras. - Reguladores.
POR EL TIPO DE PRESERVACIÓN DEL ACEITE. - Con tanque conservador.
- Sin tanque conservador. POR SU CONEXIÓN. - Delta-estrella. - Estrella-estrella. - Estrella-estrella-delta. - Delta-delta. - Zig - zag. - Estrella-delta. AISLAMIENTOS.
AISLAMIENTO PRINCIPAL. Separación entre devanados de la misma fase y tierra.
AISLAMIENTO MENOR. Separación entre espiras adyacentes y secciones del mismo devanado.
AISLAMIENTO ENTRE FASES. Separación entre devanados de diferentes fases.
FACTORES QUE AFECTAN LA VIDA ÚTIL DE LOS AISLAMIENTOS. - Degradación térmica. - Humedad. - Contaminación química. - Efecto corona. - Esfuerzos de sobretensión. - Esfuerzos mecánicos.
PRINCIPALES MATERIALES PARA LOS AISLAMIENTOS. - Papel kraft. - Papel manila. - Kraft board. - Press board. - Fibra de vidrio. - Cuerda de manila.
- Fibra de madera. - Madera y algodón. - Aceite.
ACCESORIOS Y COMPONENTES MÁS COMUNES EN
TRANSFORMADORES DE POTENCIA. • Tanque conservador.
• Indicador de nivel de aceite. • Relevador buchholz.
• Válvula de sobre presión.
• Indicador de temperatura del aceite. • Indicador de temperatura del devanado. • Radiadores.
• Ventiladores. • Pintura.
• Cambiador de derivaciones. • Boquillas.
• Sistema de preservación de aceite. • Bombas e indicadores de flujo.
1.3. INTERRUPTORES DE POTENCIA.
1.3.1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE INTERRUPTORES.
Es un dispositivo capaz de asegurar el flujo continuo de corriente y de potencial en una red eléctrica bajo condiciones normales de operación e interrumpirlos cuando se presentan condiciones anormales o de falla. Se conectan en serie con el circuito que se va a proteger.
¿CÓMO FUNSIONA UN INTERRUPTOR DE POTENCIA?
Se presenta la corriente de corto circuito en la línea o circuito que es detectada por los transformadores de corriente del interruptor, mandando esa señal a la protección primaria. La señal llega al relevador, que de acuerdo a sus ajustes programados actúa mandando abrir el interruptor para librar la falla. El relevador activará un contacto que originará un pulso de apertura al interruptor que activará la bobina de disparo, que liberará el trinquete del mecanismo, haciendo operar el resorte de disparo que separará los contactos, extinguiendo la corriente de corto circuito en la línea o circuito.
Internamente los contactos se separan en un tiempo no mayor a 60 ms. Interrumpiendo el arco eléctrico; las cámaras de extinción están diseñadas y preparadas para evitar que se produzca el reencendido en su interior.
CLASIFICACIÓN POR TIPO DE CÁMARA INTERRUPTIVA. - Cámara de ruptura de soplado longitudinal.
- Cámara de ruptura de soplado transversal.
CLASIFICACIÓN POR MEDIO DE EXTINCIÓN. • En Aceite.
– Gran Volumen de Aceite. – Pequeño Volumen de Aceite. - Hexafloruro de Azufre (SF6).
- Vacío.
- Soplo de Aire.
CLASIFICACIÓN POR TIPO DE MECANISMO DE ACCIONAMIENTO. - Mecánico (Por Resortes).
- Aire (Neumático). - Aceite (Hidráulico). - Magnético (Bobinas). BOBINAS DE CIERRE Y APERTURA
CLASIFICACIÓN POR NIVEL DE TENSIÓN DE OPERACIÓN. - Alta tensión (mayor a 69 Kv).
- Media Tensión (hasta 34.5 Kv).
CLASIFICACIÓN POR UBICACIÓN DE CONTACTOS DEL INTERRUPTOR - Interruptores de Tanque Vivo.
1.3.2. INTERRUPTORES DE GRAN VOLUMEN DE ACEITE.
El arco producido calienta el aceite dando lugar a la formación de gas muy intenso, que aprovechando el diseño de la cámara empuja un chorro de aceite a través del arco, provocando el alargamiento y enfriamiento hasta llegar A la extinción del mismo, al pasar la onda de corriente por cero.
INTERRUPTORES DE PEQUEÑO VOLUMEN DE ACEITE.
Las cámaras de extinción tienen la propiedad de que el efecto de extinción aumenta a medida que la corriente que va a interruptor crece. La potencia de apertura es limitada solo por la presión de los gases desarrollados por el arco, presión que debe ser soportada por la resistencia mecánica de las cámaras de arqueo.
MANTENIMIENTO EFECTUADO A INTERRUPTORES CON MEDIO DE EXTINSIÓN EN ACIETE.
- Cambio de aceite dieléctrico.
- Limpieza y revisión de cámaras de extinción, contactos fijos y móviles, barras de accionamiento y aislamientos internos.
- Mantenimiento al mecanismo de accionamiento (limpieza, reapriete de tortillería y lubricación).
- Revisión y limpieza de aislamientos externos. - Limpieza de conectores, cuchillas y red de tierras.
1.3.3. INTERRUPTORES EN AIRE.
Ventajas:
- No hay riesgos de incendio o explosión. - Operación muy rápida.
- Pueden emplearse en sistemas con reconexión automática. - Alta capacidad de ruptura.
- La interrupción de corrientes altamente capacitivas no presenta mayores dificultades.
- Menor daño a los contactos. - Fácil acceso a los contactos. - Comparativamente menor peso.
Desventajas:
- Poseen una compleja instalación debido a la red de aire comprimido, que incluye motor, compresor, cañerías, etc.
- Construcción más compleja. 1.3.4. INTERRUPTORES EN VACÍO.
Al abrir los contactos dentro de la cámara de vacío, no se produce ionización y por tanto no es necesario el soplado del arco ya que este se extingue prácticamente por el paso por cero de la corriente. Los contactos están dentro de botellas especiales en las que se ha hecho el vacío absoluto, el contacto fijo está sellado al igual que el contacto móvil.
MANTENIMIENTO EFECTUADO A INTERRUPTORES CON MEDIO DE EXTINCIÓN EN VACÍO.
- Medición de rigidez dieléctrica de la cámara de extinción.
- Medición de desgaste de contactos en las cámaras interruptivas. - Limpieza y revisión de resistencia calefactora.
1.3.5. INTERRUPTORES DE HEXAFLORURO DE AZUFRE (SF6).
Aprovechando la presión en el interior de la cámara y al abrir los contactos, se tiene un émbolo unido al contacto móvil que al operar comprime el gas y lo inyecta sobre el gas ionizado del arco, que es alargado, enfriado y apagado al pasar la corriente por cero.
MANTENIMIENTO EFECTUADO A INTERRUPTORES CON MEDIO DE EXTINSIÓN EN SF6.
- Filtrado de gas SF6.
- Medición de presiones en cámaras interruptivas. - Limpieza, revisión y calibración de presostatos.
- Mantenimiento al mecanismo de accionamiento (limpieza, reapriete de tortillería y lubricación).
- Limpieza de contenedores, cuchillas y res de tierra.
1.3.6. ESPECIFICACIONES DE LOS INTERUPTORES DE POTENCIA. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE UN INTERRUPTOR.
- Interrumpir cualquier nivel de corriente que circule por sus contactos, desde unos amperes hasta su capacidad nominal de corto circuito.
- No cerrar con falla o cortocircuito.
- Conectar o desconectar corrientes capacitivas e inductivas.
- Abrir o cerrar en condiciones normales en tiempos de operación extremadamente cortos (60ms).
- No hay reencendido de la falla.
COMPONENTES PRINCIPALES DE UN INTERRUPTOR DE POTENCIA. - Cámara Interruptiva.
- Medio Interruptivo.
- Mecanismo de Accionamiento. - Aislamientos Soporte.
1.3.7. SELECCIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA. POR NIVEL DE TENSIÓN DE OPERACIÓN.
- Alta tensión (mayor a 69 Kv).
- Media Tensión (hasta 34.5 Kv).
POR UBICACIÓN DE CONTACTOS DEL INTERRUPTOR. - Interruptores de Tanque Vivo.
CARACTERÍSTICAS NOMINALES DE LOS INTERRUPTORES. - Tensión Nominal y de Diseño.
- Corriente Nominal. - Frecuencia Nominal. - Capacidad Interruptiva.
- Secuencia Nominal de Operación. - Nivel Básico de Aislamiento.
CONDICIONES OPERATIVAS DE LOS INTERRUPTORES DE POTENCIA. - Circuito de media tensión.
- Respaldo de bancos de transformación. - Bancos de capacitores.
- Uniones de buses o barras. - Líneas de alta tensión.
FALLAS CARACTERÍSTICAS DE LOS INTERRUPTORES DE POTENCIA. - No cierra (por control supervisorio, desde el tablero, remotamente, local
– eléctrico, mecánicamente).
- No abre (por control supervisorio, desde el tablero, remotamente, local – eléctrico, mecánicamente).
- Alarmas (falta de CA, falta de CC, baja de gas SF6, resorte descargado).
- Bloqueos (baja presión de gas SF6).
PRUEBAS ELÉCTRICAS APLICADAS A LOS INTERRUPTORES DE POTENCIA.
PRUEBAS ELÉCTRICAS A INTERRUPTORES ELÉCTRICOS DE BAJA, MEDIA Y ALTA TENSIÓN.
PRUEBA DE RESISTENCIA DE CONTACTOS.
Los puntos con alta resistencia en partes de conducción, originan caídas de voltaje, generación de calor, pérdidas de potencia, etc. La prueba se realiza en circuitos donde existen puntos de contacto a presión o deslizables, como es el caso en interruptores. Para medir la resistencia de contactos existen diferentes marcas de equipo, de diferentes rangos de medición, como ejemplo el de la marca Games J. Biddle; tiene un rango de medida de 0 a 20 Ohms. Los equipos de prueba cuentan con una fuente de corriente directa que puede ser una batería o un rectificador.
RECOMENDACIONES PARA REALIZAR LA PRUEBA.
a) El equipo bajo prueba debe estar desenergizado y en la posición cerrado.
b) Se debe de aislar a lo posible la inducción electromagnética, ya que esta produce errores en la medición y puede dañar el equipo de prueba. c) Limpiar perfectamente bien los conectores donde se van a colocar las terminales del equipo de prueba para que no afecten a la medición.
PRUEBA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO.
Las pruebas de resistencia de aislamiento en, interruptores de potencia son importantes, para conocer las condiciones de sus aislamientos. En los interruptores de gran volumen de aceite se tienen elementos aislantes de materiales higroscópicos, como son el aceite, la barra de operación y algunos otros que intervienen en el soporte de las cámaras de arqueo; también la carbonización causada por las operaciones del interruptor ocasiona contaminación de estos elementos y por consiguiente una reducción en la resistencia de aislamiento. La prueba de resistencia de aislamiento se aplica a otros tipos de interruptores, como los de pequeño volumen de aceite, de vacío y SF6 en los que normalmente se usa porcelana como aislamiento.
RECOMENDACIONES PARA REALIZAR LA PRUEBA.
A) Limpiar perfectamente la porcelana de las boquillas, quitando polvo, humedad o agentes contaminantes.
B) Conecte el tanque o la estructura a la terminal de tierra del medidor. C) Efectuar la prueba cuando la humedad relativa sea menor de 75%.
PRUEBAS DE TIEMPO DE CIERRE Y APERTURA Y SIMULTANEIDAD DE CONTACTOS.
El objetivo de la prueba es la determinación de los tiempos de interrupción de los interruptores de potencia en sus diferentes formas de maniobra, así como la verificación del sincronismo de sus polos o fases.
El principio de la prueba se basa en una referencia conocida de tiempo trazado sobre el papel del equipo de prueba, se obtienen los trazos de los instantes en que los contactos de un interruptor se tocan o se separan a partir de las señales de apertura y cierre de los dispositivos de mando del interruptor, estas señales de mando también son registradas sobre la gráfica, la señal de referencia permite medir el tiempo y la secuencia de los eventos anteriores.
Existen básicamente dos tipos de instrumentos de prueba, los que utilizan dispositivos electromecánicos en los cuales una señal eléctrica sobre una bobina, actúa mecánicamente sobre agujas que marcan un trazo sobre el papel tratado en su superficie, y los que utilizan galvanómetros que accionan varías veces el punto de incidencia de un rayo luminoso sobre un papel fotosensible, en ambos tipos el movimiento del papel es efectuado por un motor de corriente directa a una velocidad constante.
La señal de referencia puede ser en base a la frecuencia del sistema o bien puede ser tomada de un oscilado incluido en el equipo de prueba, de una frecuencia conocida.
TIEMPO DE APERTURA. Es el tiempo medido desde el instante en que se energiza la bobina de disparo, hasta el instante en que los contactos de arqueo sean separados.
TIEMPO DE CIERRE. Es el intervalo de tiempo medido desde el instante en que se energiza la bobina de cierre, hasta el instante en que se tocan los contactos primarios de arqueo en todos los polos.
Nota: En el caso de interruptores dotados de resistencias de inserción, por lo general existe una diferencia entre los tiempos de cierre o apertura hasta el momento en que los contactos primarios de arqueo se tocan o separan y el tiempo hasta el momento en que los contactos auxiliares en serie con las resistencias se tocan o separan.
EQUIPOS DE PRUEBA.
Existen varios tipos y marcas de equipos para la prueba, se distinguen dos tipos principales que son del tipo cronógrafo y los del tipo oscilógrafo las características generales de los equipos comúnmente usadas se muestran en tabla anexa, en la misma se hacen además algunas observaciones sobre su aplicación así como sus ventajas y desventajas.
ENTRE LAS CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE CUALQUIER EQUIPO SE PUEDE MENCIONAR LO SIGUIENTE.
Velocidad del papel: Se considera como mínimo debe ser de 1 mt / seg.
A fin de poder apreciar o medir con precisión tiempos de orden de milisegundos.
Numero de canales: Dependiendo del tipo de interruptor por probar, se
requiere de más o menos canales, el número deberá ser suficiente para poder probar por lo menos un polo.
PRUEBAS NORMALES.
Las pruebas o mediciones que a continuación se indican son aquellas que se consideran normales, tanto para mantenimiento como para puesta en servicio de un interruptor.
a) Determinación del tiempo de apertura. b) Determinación del tiempo de cierre.
c) Determinación del tiempo cierre - apertura en condición de (trip - free) o sea el mando de una operación de cierre y uno de apertura en forma simultánea, se verificará además el dispositivo de antibombeo.
d) Determinación del sincronismo entre contactos de una misma fase, tanto en cierre como en apertura.
e) Determinación de la diferencia en tiempo entre los contactos principales y contactos auxiliares de resistencia de inserción, ya sean estos para apertura o cierre.
f) Determinación de los tiempos de retraso en operación de recierre si el interruptor está previsto para este tipo de aplicación, ya sea monofásico o trifásico.
Las tres primeras pruebas son aplicables a todo tipo de interruptor mientras que las tres últimas son aplicables a tipos específicos; la prueba d) a interruptores multi - cámaras, la prueba e) a interruptores dotados de resistencia de inserción y la prueba f) a equipos aplicados en recierre.
Dependiendo del interruptor por probar en lo que a número de cámaras se refiere, así como el número de canales disponibles en el equipo de prueba, es posible en algunos casos determinar dos o más de los tiempos anteriores simultáneamente en una sola operación.
RECOMENDACIONES PARA REALIZAR LA PRUEBA.
Librar al interruptor completamente, asegurándose que las cuchillas seccionadoras respectivas se encuentran en posición.
Limpiar las terminales del interruptor donde se conectarán las terminales del equipo de prueba.
PRUEBA DE FACTOR DE POTENCIA DEL AISLAMIENTO.
Al efectuar las pruebas de Factor de Potencia, intervienen las boquillas o soportes aislantes, y los otros materiales que forma parte del aislamiento (aceite aislante, gas SF6, vacío, etc.). Al efectuar la prueba de Factor de Potencia el método consiste en aplicar el potencial de prueba a cada una de las terminales del interruptor.
Las pérdidas dieléctricas de los aislamientos no son las mismas estando el interruptor abierto que cerrado, porque intervienen diferentes aislamientos. Con el interruptor cerrado intervienen las pérdidas en boquillas y de otros aislamientos auxiliares, con el interruptor abierto intervienen las pérdidas en boquillas y en el aceite aislante. Esto es para el caso de interruptores de gran volumen de aceite.
RECOMENDACIONES PARA REALIZAR LA PRUEBA.
Limpiar la porcelana de las boquillas, quitando polvo, humedad o agentes contaminantes.
Se recomienda efectuar la prueba cuando la humedad relativa sea menor de 75%.
1.4. CUCHILLAS Y FUSIBLES.
1.4.1. DEFINICIÓN Y OPERACIÓN DE CUCHILLAS CONECTADORAS. Son dispositivos que sirven para tener un corte visible en un punto o más de una subestación o en una red de distribución. Sirven además de enlace con otros puntos en el sistema eléctrico.
1.4.2. FUSIBLES DE POTENCIA Y SUS CURVAS DE OPERACIÓN.
Los fusible o cortacircuitos, no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, sea la parte que más se caliente, y por tanto la primera en fundirse. Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no sufre daño alguno.
Los fusibles son los dispositivos de sobre corriente más baratos y simples que se utilizan en la protección de redes de distribución. Al mismo tiempo son uno de los más confiables, dado que pueden brindar protección un tiempo muy prolongado (por arriba de 20 años) sin estar sujeto a tareas de mantenimiento. Antiguamente los fusibles eran finos hilos de cobre o plomo, colocados al aire, lo cual tenía el inconveniente de que al fundirse saltaban pequeñas partículas incandescentes, dando lugar a otras averías en el circuito.
Actualmente la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal motivo también se denominan cartuchos fusibles. Los cartuchos fusibles son protecciones desechables, cuando uno se funde se sustituye por otro en buen estado.
El cortacircuito fusible, o simplemente fusible, fue el primer elemento de protección que se inventó en los albores de la electrotecnia, y aún continúa
siendo adoptado en las instalaciones eléctricas modernas. Básicamente está formado por una lámina o alambre calibrado, que se denomina elemento fusible, contenido en un cartucho fusible removible y emplazado en una base o soporte porta fusible, que lo permite conectar en serie con el circuito a proteger.
El elemento fusible se construye de manera que tenga un punto de fusión menor que los conductores de la instalación protegida, y habitualmente se disponen varios sectores más estrechos, en los que se obtiene una mayor densidad de corriente. Por lo tanto, cuando circula una sobre corriente determinada, el calor generado por efecto Joule funde los estrechamientos del elemento e interrumpe el circuito. Una vez eliminada la causa de la sobre corriente, para reponer el circuito debe instalarse un elemento fusible nuevo.
La construcción de los fusibles comprende una gran variedad de modelos, con distintos tamaños, formas y métodos de montaje; y para ser utilizados con diferentes gamas de tensión, corriente y tiempos de actuación.
Así hay fusibles con montaje a rosca, a cuchilla o cilíndricos; hay fusibles de acción rápida o retardada; hay fusibles de alta capacidad de ruptura, etcétera. En ciertos casos, se fabrican en distintos tamaños, para evitar la instalación errónea de fusibles de características diferentes a las necesarias.
Además, en algunos modelos se dispone una base porta fusible diseñada para operar como seccionador en vacío o bajo carga, maniobrando simultáneamente los fusibles de las distintas fases.
Los cartuchos fusibles también pueden mejorarse aplicándole técnicas de enfriamiento o rapidez de fusión, para la mejor protección de los diferentes tipos de circuitos que puede haber en una instalación, por lo cual y dentro de una misma intensidad, atendiendo a la rapidez de fusión, los cartuchos fusibles se clasifican según la tabla.
Tipos De Cartuchos Fusibles.
Tipo Según norma UNE
Fusibles rápidos gF -gl, gI, F, FN, Instanfus Fusibles lentos gT T, FT, Tardofus
Fusibles de acompañamiento aM A, FA, Contanfus
Si llamamos If a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos para que fundan en un segundo.
Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 If
Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 If
Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 If
Los fusibles de acompañamiento (aM) se fabrican especialmente para la protección de motores, debido a que aguanten sin fundirse las puntas de intensidad que estos absorben en el arranque. Su nombre proviene de que han
de ir acompañados de otros elementos de protección, como son generalmente los relés térmicos. Cada cartucho fusible tiene en realidad unas curvas de fusión, que pueden diferir algo de las definiciones anteriores, dadas por los fabricantes. En la figura, vemos algunos tipos de cartuchos fusibles, así como unas curvas de fusión orientativas, de los tres tipos existentes.
Los fusibles lentos (gT): son los menos utilizados, empleándose para la protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los cortocircuitos momentáneos que los árboles o el viento pueden hacer entre los conductores.
Los fusibles rápidos (gF): se emplean para la protección de redes de distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente.
Los fusibles de acompañamiento (aM): como ya hemos dicho, son un tipo especial de cortacircuitos, diseñado para la protección de motores eléctricos.
1.4.3. ESPECIFICACIONES DE CUCHILLAS Y FUSIBLES. Capacidad Interruptiva
en Amperes (AIC) Una especificación de fusible que establece el nivel de corriente de falla que puede interrumpir. En una aplicación, un fusible debe poder sostener la corriente de cortocircuito potencial mayor de la aplicación. Especificaciones de
Amperes Una especificación de la capacidad de transportar corriente continua de un fusible. Arco El efecto generado cuando la corriente eléctrica
puentea el espacio de aire entre dos conductores que no están en contacto.
Distancia de
Interrupción El punto en el cual se extingue el arco. Interruptores de
Circuito Dispositivos eléctricos de seguridad. Cuando la corriente que pasa a través de dicho dispositivo rebasa un cierto amperaje, el interruptor dispara, abriendo el circuito.
Tiempo de Interrupción El tiempo que un fusible requiere para fundirse. Este lapso de tiempo está inversamente relacionado al nivel de sobre corriente.
Fusible Limitador de
Corriente Un tipo de fusible que incorpora características o dimensiones para rechazar otro fusible en la misma especificación de amperes, pero con una
especificación de interrupción menor.
Doble Tiro Un tipo de interruptor de seguridad que maneja dos cargas o suministros de energía eléctrica.
Potencia Nominal
Doble Una especificación de interruptor de seguridad en cuanto a su potencia nominal estándar y potencia nominal máxima.
Elemento La parte de un fusible que se derrite para abrir el circuito. Típicamente, es una tira metálica delgada. Cuchillas de Extremo Tipo de fusible de cartucho en donde las terminales se
parecen a cuchillas. Para su instalación por
deslizamiento de las terminales de cuchilla en ranuras. Corriente de Falla La corriente que puede fluir en cualquier parte de un
circuito bajo condiciones anormales específicas. Férula Otro nombre de las cuchillas de extremo.
Fusible Un dispositivo eléctrico de seguridad. Cuando la
corriente que pasa a través de dicho dispositivo rebasa un cierto amperaje, el elemento se funde, abriendo el circuito.
Fundible Que puede fundirse o derretirse por aplicación de calor. Un interruptor de seguridad fundible utiliza un fusible.
Interruptores de
Servicio General Interruptores de Seguridad para Servicio Pesado
Un interruptor de seguridad utilizado primariamente para aplicaciones comerciales e industriales. Cuchillas
Desconectadoras El contacto móvil articulado en un interruptor de seguridad que cierra y abre realmente el circuito. Su nombre se debe a su forma.
Código Eléctrico
Nacional Abreviado NEC. Regulaciones que rigen la construcción e instalación de alambrado eléctrico y componentes.
NEMA Abreviatura de Asociación Nacional de Fabricantes de Productos Eléctricos. Una organización de fabricantes de productos eléctricos.
No Fundible Que no puede fundirse ni derretirse por aplicación de calor. Un interruptor de seguridad no fundible no utiliza fusible.
Fusible Sin Retardo Un tipo de fusible utilizado en aplicaciones en las cuales no ocurren corrientes irruptivas altas. Está diseñado para fundirse lo más rápidamente posible. Sobrecarga (o Sobre
corriente) Una condición en la cual la corriente rebasa la carga normal. Polo Se refiere al número de alambres que el interruptor de
seguridad desconecta de una vez. Interruptores de
Seguridad Un dispositivo para abrir y cerrar un circuito.
Acometida El punto en el cual la energía eléctrica ingresa a un edificio.
Cortocircuito Una falla eléctrica creada cuando dos conductores expuestos entran en contacto.
Tiro Sencillo Un tipo de interruptor de seguridad que maneja una carga.
Neutro Sólido Abreviado N/S. Una barra metálica sólida montada en el gabinete del interruptor de seguridad, diseñada para aceptar conductores neutrales entrantes y salientes. No fluye corriente por ella.
Fusible de Acción
Retardada Un tipo de fusible diseñado primariamente para su utilización en circuitos que contienen cargas de motor. Tiene un elemento de acción retardada para evitar que se funda bajo corrientes irruptivas altas.
Underwriters’
Laboratory Abreviado UL. Un laboratorio independiente que prueba los equipos para determinar si cumplen con ciertos estándares de seguridad cuando se emplean apropiadamente.
Tensión Nominal Una especificación de fusible para la tensión que puede manejar. La tensión nominal de un fusible debe
ser por lo menos igual a la tensión del circuito. Puede ser mayor que la tensión del circuito, pero nunca menor
1.5. APARTARRAYOS.
1.5.1. NATURALEZA DE LAS SOBRETENSIONES Y SUS EFECTOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA.
SOBETENSIONES DE TIPO EXTERNO. - Descargar atmosféricas.
CLASIFICACIÓN DE LAS DESCARGAS.
Los rayos pueden ser clasificados de acuerdo a las cargas producidas y a la naturaleza del sistema de líderes que realizan la conexión de la descarga con tierra.
DESCARGA NEGATIVA NUBE-TIERRA, CON LÍDER POSITIVO ASCENDENTE.
Estas descargas son las más frecuentes (70 a 90% de casos). En este tipo de descarga, un líder negativo de nube a tierra es emitido. El campo eléctrico en un objeto en tierra se refuerza por consiguiente suficientemente por el acercamiento de la carga negativa para provocar la creación de un "líder - ascendente" positivo conocido como un "líder de captura". Este líder ascendente se mueve en la dirección del líder que viene de la nube. Cuando ellos se interceptan, esto da lugar a la descarga del rayo principal.
DESCARGA NEGATIVA NUBE-TIERRA, SIN UN LÍDER ASCENDENTE POSITIVO.
Este tipo de descarga es idéntica al tipo precedente. Sin embargo las condiciones del campo eléctrico en tierra no permiten el desarrollo de un líder ascendente. Por lo tanto se realiza una conexión directa con tierra. DESCARGA POSITIVA NUBE-TIERRA.
Este tipo de descarga es poco comprendida, aunque parecería que raramente da lugar a un líder ascendente en este caso. El rayo, como en el caso anterior, hace contacto directo con la tierra.
DESCARGA POSITIVA TIERRA – NUBE.
Este tipo de rayo corresponde a esos casos donde el campo eléctrico en la tierra creado por la nube es lo suficientemente intenso para que un líder tierra-a-nube se desarrolle. Este es generalmente el caso donde existen altas estructuras terrestres (varias decenas de metros). Este tipo de rayo es también frecuente en regiones montañosas. En todos los casos registrados, este tipo de líder es positivo.
MODOS DE PROPAGACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES. Modo común o asimétrico:
Perturbaciones entre un conductor activo y la tierra (fase-tierra o neutro-tierra), con riesgo de perforación dieléctrica.
Modo diferencial o simétrico:
Perturbaciones entre conductores activos, (fase-fase o fase-neutro), especialmente peligrosas para los equipos informáticos.
PROBLEMAS CAUSADOS POR LAS SOBRETENSIONES.
Mal funcionamiento:
Aunque no hay daño físico, los niveles lógicos o analógicos del sistema son alterados, causando: pérdida de datos, datos y software corrupto, caídas de las redes inexplicables, bloqueos, etc. El sistema puede ser reseteado y entonces funcionará normalmente.
Degradación: Esto es algo más serio. Tiempos de exposición más largos a
sobre tensiones transitorios de bajo nivel, desconocidos para el usuario, degradarán los componentes electrónicos y la circuitería reduciendo la vida útil del equipo e incrementando la probabilidad de fallas.
Daño: Sobre tensiones transitorias grandes pueden causar daño a los
componentes, tarjetas electrónicas e interfases de Entrada / Salida. Sobre tensiones transitorias severas pueden manifestarse a través de quemaduras exteriores en las tarjetas, sin embargo, el daño ordinario es menos espectacular.
Repercusiones eléctricas: Cada impacto de rayo en el pararrayos genera otros
problemas eléctricos indirectos, que repercuten normalmente en destrucción de componentes electrónicos o riesgo de incendio, en el epicentro del impacto del rayo y sus alrededores; su radio de acción puede ir más allá de los 1500 metros del impacto.
El pararrayos genera perturbaciones electromagnéticas no deseadas. Efectivamente el contacto del rayo en la punta de acero del pararrayos, genera un pulso electromagnético que se distribuye radialmente por el aire y al mismo instante genera una diferencia de potencial en la toma de tierra, de valores superiores a los 15 kV en algunos casos con riesgos de chispas eléctricas (para una descarga de 50 KA). Esta radiación, se transforma en sobre tensiones, inducciones, acoplamientos y otros fenómenos transitorios en las líneas de transporte de energía, datos, comunicación etc., que se repiten en cada descarga. Durante la revolución tecnológica aparecieron componentes electrónicos que en lo posible, minimizan estos fenómenos de sobre tensión y los derivan a tierra, existen descargas de rayos de 4 KA a 300 KA, la protección interna supone un coste suplementario muy caro en relación a la eficacia del equipo y su nivel de protección.
Las compañías de seguros, anualmente, tienen que indemnizar a sus numerosos clientes por causa de los fenómenos de la caída del rayo y sus efectos colaterales; en todo el mundo las indemnizaciones se cifran en millones de euros cada año.
Gif: Eduardo Pardo.
El potencial y la cantidad de descargas de rayos son aleatorios en todo el planeta, pero cada vez, se aprecia un incremento debido a los diferentes cambios climáticos. Las solares son alguna de las causantes del aumento de la saturación de la carga en la atmósfera.
Durante las tormentas solares nuestro planeta está golpeado implacablemente por radiaciones ultravioletas, rayos X y torrentes de partículas cargadas, lo cual distorsiona el campo magnético e induce poderosas corrientes eléctricas a la atmósfera que se transforman en tormentas eléctricas, se espera una máxima actividad solar para el año 2012.
Autor: Ángel Rodríguez
En función de la intensidad de descarga del rayo las tomas de tierra no llegan a adsorber la totalidad de la energía potencial descargada en menos de 1 segundo, generando retornos eléctricos por la toma de tierra al interior de la instalación eléctrica. Este fenómeno puede generar tensiones de paso y sobre tensiones transitorias peligrosas para las instalaciones en general y alta radiación de energía.
EFECTOS PRODUCIDOS POR LA CAÍDA DE UN RAYO.
Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello, son causa de interferencias en sistemas electrónicos. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se requiere de las técnicas para señales en altas frecuencias.
A la frecuencia debida a la descarga del rayo, la impedancia de un cable de cobre usado en las puestas a tierra (de unos 1.64 uH/m) presenta un carácter predominantemente inductivo. En conductores de más de 10 metros la impedancia que representan es muy elevada, lo cual impide la conducción de la corriente. Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema conectadas a tierra, elevarán y bajarán su potencial con respecto de tierra al tiempo de la descarga.
EFECTOS PRODUCIDOS POR LA CAÍDA DIRECTA DE UN RAYO.
Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar
expuestos al rayo, al canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo, produciéndose importantes incendios.
Cuando cae un rayo en una instalación siempre buscará el camino a tierra de más baja impedancia y por él circulará hasta tierra. Si el conductor tiene algún equipo eléctrico conectado a un equipo y es atravesado por esa corriente, muy probablemente será destruido. Si bien la caída directa del rayo es la más devastadora, también es la más improbable.
EFECTOS SECUNDARIOS PRODUCIDOS POR LA CAÍDA DE UN RAYO. Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una instalación incluyen:
LA CARGA ELECTROSTÁTICA.
La célula de tormenta induce una carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta. Esta carga estática estará relacionada con la carga de la célula de la tormenta. Por esto se inducirá una diferencia de potencial en la estructura o conductor respecto a tierra que será un posible causante de interferencias. Como consecuencia de la carga electrostática se producen los arcos secundarios que es una de las interferencias más frecuentes.
LOS PULSOS ELECTROMAGNÉTICOS.
Los pulsos electromagnéticos, son el resultado de los campos electromagnéticos transitorios que se forman por el flujo de corriente, a través del canal de descarga del rayo. Después de que se establece el canal de descarga del rayo entre la nube y la tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico. La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente y produce un campo magnético en relación a la misma. Ya que estas corrientes de descarga crecen rápidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperios, los pulsos magnéticos que ellos crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducido resultante (EMP) dentro de cualquier grupo donde existen varios cables que corren paralelamente, puede también ser muy significativo.
LOS PULSOS ELECTROSTÁTICOS.
Los transitorios atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la variación del campo electrostático que acompaña a una tormenta eléctrica. Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está
inmerso dentro de un campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a su altura, sobre la superficie de la tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a una altura promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático medio, durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100 kV y 300 kV con respecto a la tierra.
LAS CORRIENTES DE TIERRA.
La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino más conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo. Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo impactó. A esta tensión inducida se le llama "corriente transitoria de tierra" y aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores. Aunque el proceso de descarga es muy rápido (20 microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan pequeña como 50 nano segundos, la tensión inducida será muy alta. La terminación de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos siguientes:
- Puede causar arqueos a través de la tierra a tuberías de gas adyacentes, cables o sistemas de tierra.
- La corriente de sobre carga, puede correr por la tierra paralelo al sistema de tierras electrónico existente, lo cual originará una distribución de elevación de potencial de tierra no uniforme en el sistema de tierra. -
EL SOBRE TENSIÓN TRANSITORIA.
Se produce como consecuencia de los anteriores y pueden causar graves daños en los equipos o sistemas si no están convenientemente protegidos. La carga electrostática (y consecuentes arcos secundarios) es lo más común.
Como ejemplo tenemos la carga electrostática y los pulsos electromagnéticos que inducen altos voltajes transitorios en cualquiera de los conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia de esos transitorios. Estos transitorios causarán arqueos entre alambres o cables conductores y entre tuberías y tierra. Los arcos o chispas de corriente electrostática en un punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones. Además estas sobre tensiones pueden llegar por los conductores hacia los equipos o sistemas que estén dentro del área de influencia causando fallos y averías en los mismos si estos no están protegidos contra las sobre tensiones.
Debemos tener en cuenta que en un radio de unos 1’5 km desde el punto de impacto de un rayo, las instalaciones electrónicas pueden ser perturbadas y en ocasiones destruidas.
LAS FORMAS EN QUE SE ACOPLAN LAS INTERFERENCIAS PRODUCIDAS POR EL RAYO SON:
Acoplamiento resistivo: al caer un rayo sobre una construcción o sobre
la tierra, se produce una elevación del potencial eléctrico que afecta a las tuberías y a los cables enterrados y viajan a través de ellas hasta penetrar en las edificaciones. Especial riesgo corren, como es de suponer, los cables y tuberías aéreas. Así, un rayo es capaz de inducir corriente de 1’5 KA y 5kV en cables subterráneos, y de 3 KA y 6 kV en cables aéreos.
Acoplamiento inductivo: Las enormes corrientes del rayo al caer a tierra
mediante descargadores establecen un camino que genera un campo electromagnético que induce a otros conductores, de fuerza principalmente por que no están apantallados, tensiones destructivas de varios KV.
Acoplamiento capacitivo: Debido a la naturaleza de alta frecuencia de los
rayos se acopla capacitivamente entre arrollamientos de Alta a Baja tensión (transformadores). Provocando fallas en las fuentes de equipos electrónicos que son más sensibles y débiles.
Los efectos secundarios no siempre son fácilmente identificados como la causa o el mecanismo del rayo. La protección convencional o protección primaria no influirá ni reducirá ninguno de los efectos secundarios, sin embargo si que aumenta el riesgo de un evento. Las puntas pararrayos o terminales aéreos atraen el rayo y fortalecen una terminación del impacto muy cerca de la zona de influencia, causando interferencias con los equipos existentes.
Además, la tendencia hacia la microelectrónica, trae como consecuencia que los sistemas electrónicos sean más sensibles a los fenómenos transitorios, por ejemplo, transitorios de menos de 3 V pico o niveles de energía más bajos que 10-7 Joules, pueden dañar o "confundir" esos sistemas y sus componentes.
- Viento solar.
En forma genérica, se denomina viento solar al flujo de partículas (en su mayoría protones de alta energía, de alrededor de 500 kV) emitidos por la atmósfera de una estrella.
La composición elemental del viento solar en el Sistema Solar es idéntica a la de la corona del Sol: un 73% de hidrógeno y un 25% de helio, con algunas trazas de impurezas. Las partículas se encuentran completamente ionizadas, formando un plasma muy poco denso. En las cercanías de la Tierra, la velocidad del viento solar varía entre 200 y 889 Km/s, siendo el promedio de unos 450 Km/s. El Sol pierde aproximadamente 800 Kg. De materia por segundo en forma de viento solar.
Dado que el viento solar es plasma, extiende consigo el campo magnético solar. A una distancia de 160 millones de Km. La rotación solar barre al viento solar en forma de espiral, arrastrando sus líneas de campo magnético, pero más allá de esa distancia el viento solar se dirige hacia el exterior sin mayor influencia directa del Sol. Las explosiones desusadamente
energéticas de viento solar causadas por manchas solares y otros fenómenos atmosféricos del Sol se denominan "tormentas solares" y pueden someter a las sondas espaciales y los satélites a fuertes dosis de radiación. Las partículas de viento solar que son atrapadas en el campo magnético terrestre muestran tendencia a agruparse en los cinturones de Van Allen y pueden provocar las Auroras boreales y las Auroras australes cuando chocan con la atmósfera terrestre cerca de los polos geográficos. Otros planetas que tienen campos magnéticos similares a los de la Tierra también tienen sus propias auroras.
El viento solar forma una "burbuja" en el medio interestelar (hidrógeno y helio gaseosos en el espacio intergaláctico). El punto en el que la fuerza ejercida por el viento solar no es suficientemente importante como para desplazar el medio interestelar se conoce como helio pausa y se considera que es el "borde" más exterior del sistema solar. La distancia hasta la helio pausa no es conocida con precisión y probablemente depende de la velocidad del viento solar y de la densidad local del medio interestelar, pero se sabe que está mucho más allá de la órbita de Plutón.
Redes eléctricas. Una tormenta magnética puede producir diferencias de
tensión entre transformadores de alta tensión conectados a la misma tensión de referencia (tierra). Entonces una 8 corriente eléctrica inducida fluye entre los mismos a lo largo de las líneas conectando a ambos.
Los transformadores pueden llegar eventualmente a saturarse y entonces aparecen alteraciones a las frecuencias de 50 o 60 Hz, ocasionando un mal funcionamiento de reguladores en elementos de protección de los consumidores. Además, se reduce la capacidad de transmisión del sistema, cae la tensión de las líneas, se pueden producir fallas y eventualmente un apagón total. En el peor caso puede suceder también un recalentamiento e incendio de los transformadores de alta tensión por una corriente muy elevada respecto al rango de operación diseñado para los mismos.
SOBRETENSIONES DE TIPO INTERNO.
- Maniobra (cierre o apertura de interruptores de potencia). - Corto circuito (entre fases, de fase a neutro, entre fase y tierra).
LOS PRINCIPALES EFECTOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA SON:
Todo equipo conectado a la red eléctrica, telefónica o de datos está expuesto a los efectos de las sobre tensiones.
Las sobre tensiones transitorias se caracterizan por ser picos de tensión muy elevados de corta duración y con un crecimiento muy rápido, por lo que los equipos de protección habituales (fusibles, magneto térmicos y diferenciales) no están preparados para detectarlos y reaccionar frente a ellos.
CAUSAS PRINCIPALES.
- Descargas atmosféricas directas y lejanas. - Parásitos o interferencias.
- Maniobras de conmutación de las compañías de distribución de electricidad y de los usuarios de las redes eléctricas.
DAÑOS PRODUCIDOS POR LAS SOBRE TENSIONES.
- Daños materiales: destrucción de los equipos de telefonía, alarma, detección de incendios, componentes electrónicos, electrodomésticos, emisores de televisión y otros equipos sensibles
- Envejecimiento prematuro de los equipos.
- Inoperatividad temporal de los sistemas informáticos y de comunicación.
- Perforación de instalaciones eléctricas. - Pérdidas económicas importantes.
Todo un conjunto de normativas (UNE 21.185, UNE 21.186, CEI 1024 y RBT) contemplan la instalación de protectores contra sobretensiones para disponer de un sistema de protección integral eficaz.
Así mismo, la Ley de Prevención de Riesgos Laborales RD 1215/1997 especifica: "Los equipos de trabajo que puedan ser alcanzados por los rayos durante su utilización deberán estar protegidos contra sus efectos por dispositivos o medida adecuadas".
La presencia de la tecnología en nuestra vida cotidiana y en nuestros lugares de trabajo hace imprescindible una protección adecuada contra les sobretensiones eléctricas.
1.5.2. DEFINICIÓN Y OPERACIÓN DE APARTARRAYOS.
APARTARRAYOS. Son dispositivos formados por una serie de elementos resistivos que limitan la amplitud de las sobre tensiones originadas por: descargas atmosféricas, operación de interruptores o desbalanceo de sistemas.
CUERNOS DE ARQUEO.
Son los apartarrayos mas primitivos y pueden estar formados por un solo explosor o por varios de estos conectados en serie, estos conectados por un a lado al circuito vivo que se va a proteger y por el otro lado a la red de tierras.
APARTARRAYOS AUTOVALVULARES.
Son los apartarrayos llamados convencionales, están formados por una serie de resistencias no lineales de carburo de silicio, prácticamente sin inductancia, presentadas como pequeños cilindros de material prensado. Las resistencias se conectan en serie con un conjunto de explosores intercalados entre los cilindros.