Dimensionado,ensayos y aplicacin

de los pararrayosde xido metlico en

redes de media tensin

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Prlogo

La primera edicin de nuestra gua para el dimensionado,ensayos y aplicacin de pararrayos de xido metlico para laproteccin de redes de media tensin, que apareci en1994, fue recibida muy positivamente. Nos complaci contarcon semejante aceptacin, lo que corrobor nuestra opininrespecto a que el asesoramiento competente sobre laaplicacin de nuestros productos es tan importante como lapropia calidad de los productos.

El progreso tecnolgico alcanzado hace necesaria la revisin y renovacin de la publicacin en una tercera edicin.

El dimensionado y las bases tericas para la ptima aplicacin de los pararrayos no han cambiado, por lo que han sidotratadas de forma idntica a la primera edicin. El Sr. Ren Rudolph, quien en el momento de la primera edicin era elresponsable del asesoramiento en lo relativo a aplicacin en la divisin de pararrayos, se ha ocupado de la revisin de lastablas. Esta revisin ha sido necesaria debido al perfeccionamiento de los datos tcnicos y la ampliacin de nuestragama de productos.Nos gustara agradecer al Sr.Ren Rudolph el esfuerzo y el empeo demostrados en esta tarea.El Sr. Bernhard Richter, responsable actual de la ingeniera y aplicacin de los dispositivos de proteccin contrasobretensiones en la divisin de pararrayos de ABB High Voltage Technologies Ltd, ha llevado a cabo gustosamente larevisin general de este manual.El Sr. Richter es miembro de diferentes grupos de trabajo de IEC SC 37 A y IEC TC 81, y su campo de actividad incluyeprincipalmente,ademas del desarrollo y los ensayos, la aplicacin de los pararrayos.

La tecnologa de la silicona, utilizada en media tensin por ABB High Voltage Technologies Ltd y el desarrollo posterior delos materiales a base de xidos metlicos abre nuevos mbitos de aplicacin.Todo ello ha sido tenido en cuenta en estanueva edicin.

Esperamos que usted, como lector, se sienta satisfecho con nuestra nueva edicin revisada y que la encuentre til parasus objetivos particulares. Cualquier sugerencia o modificacin sern bien recibidas ello nos permitira satisfacer todaslas posibles necesidades de nuestros clientes.

ABB High Voltage Technologies Ltd

Wettingen, Julio 1999

Primera edicin:noviembre 19942 ed.Revisada:septiembre 19953 ed.Revisada: julio 1999

Reservados todos los derechos.Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escritadeABB HighVoltageTechnologies Ltd, la copia o reproduccintotal o parcial de este folleto, la distribucin de ejemplares mediantecualquier medio y la traduccin a otros idiomas.

Divisin Pararrayos,Wettingen,Suiza

,

a

a

ABB HighVoltageTechnologies Ltd

1

2Contenido

1. Introduccin

2.

3. Varistores de xido metlico comoelementos del pararrayos

4.

5.

6.

7.

2.1 Pararrayos de OM y con explosores

4.1

4.2

4.3

4.4

5.1

5.2

5.3

5.4

5.5

6.1

6.2

6.3

7.1

7.2

7.3

7.4

8.1

8.2

Tecnologa de los pararrayos

Pararrayos de Media Tensin de ABB

Condiciones especiales de operacin

Caractersticas de protecciny estabilidad del pararrayos

Ensayos

8. Seleccin de los pararrayos ydeterminacin de la U

Construccin del pararrayos

Aislamiento de silicona

Capacidad de absorcin de energay tiempo de enfriamiento

Corriente nominal de descargay capacidad de absorcin de energa

Potencia de cortocircuito de la red

Temperatura ambiente elevada

Estabilidad mecnica

Contaminacin atmosfrica

Tamao de los pararrayos en funcin de la altitud

Nivel de proteccin del pararrayos

Consideraciones sobre la estabilidadde los pararrayos de OM

Sobretensiones temporales

Ensayos de Tipo

Ensayos de Rutina

Ensayos de recepcin

Ensayos especiales

Redes con compensacin de neutro o conNeutro aislado (alta resistencia hmica)

Redes con neutro aislado (alta resistencia hmica)y despeje automtico de faltas a tierra

c

8.3

8.4

8.5

8.6

9.1 Anlisis terico de la distancia de proteccin L

9.2 Pendiente estimada S de las sobretensionesTipo Rayo en Subestaciones de MT

9.3 Influencias sobre la distancia de proteccin conrelacin al equipo elctrico, los tipos de pararrayosy la disposicin de los pararrayos

9.4 Riesgo de faltas en equipos elctricosy su distancia desde el pararrayos

10.1 Proteccin contra sobretensiones en tramos de

10.2 Proteccin de las pantallas de los cables

10.3 Transformadores en el extremo de cables

10.4 Transformador conectado a una linea conriesgo de rayos en un solo lado.

10.5 Pararrayos en Subestaciones con celdas deMT con envolvente metalica

10.6 Generador conectado a una lnea dedistribucin con riesgo de rayos

10.7 Proteccin de motores mediante pararrayos

10.8 Proteccin contra sobretensiones en locomotoras

10.9 Baterias de condensadores conpararrayos en paralelo

10.10 Bobinas de bloqueo (proteccin en paralelo)

Redes con neutro puesto a tierraRigidamente (C 1.4)

Redes con neutro puesto a tierra mediante bajaimpedancia, que no presentan C 1.4 uniforme

Redes con neutro puesto a tierra mediante bajaimpedancia y C >1.4

Pararrayos entre fases (conexin Neptuno)

8.7 Tensin de operacin con armnicas

e

e

e

9. Distancia de proteccin del pararrayos

10. Casos especiales

11. Pararrayos para tensin continua

12. Cuestiones relacionadas con el usode pararrayos

13. Conclusiones

Bibliografa

ndice de simbolos utilizados

cable

1. Introduccin

Las sobretensiones en las redes de suministro elctrico son el resultadode las descargas elctricas producidas por rayos y maniobras y resultaninevitables. Ambas ponen en peligro el equipo elctrico debido a que, pormotivos econmicos, el aislamiento no puede ser diseado para todos loscasos posibles. Una red econmica y segura exige una proteccin exten-siva del equipo elctrico contra solicitaciones inaceptables de sobreten-siones. Ello es aplicable tanto a las redes de alta tensin como a las demedia y baja tensin.La proteccin contra las sobretensiones puede conseguirse,bsicamente,de dos formas distintas:

En redes de alta tensin se suelen utilizar ambos mtodos de proteccin.La proteccin con cables de tierra en redes de media tensin no suele sermuy eficaz, debido a la pequea distancia entre el cable de puesta a tierray los conductores de lnea, ya que un rayo que caiga directamente tambinsuele afectar a los cables de lnea. Adems, las sobretensiones inducidasen los conductores de lnea (efectos indirectos de los rayos) no se puedenevitar por los cables de tierra.

La magnitud de la sobretensin suele darse en p.u. (tanto por uno), que sedefine como:

1 p.u.= 2 x U / 3,

donde U es el mximo valor de tensin r.m.s. (valor eficaz) entre fases dela red funcionando sin perturbacin [1].

Bsicamente, se distinguen tres tipos de sobretensiones [2]:

, que tienen lugar, por ejemplo, durante ladesconexin de una carga o debido a faltas a tierra. La duracin de estasoscilaciones de sobretensin a la frecuencia de la red vara entre 0.1segundos y varias horas. En general la sobretensin no supera las 3 p.u.y, por tanto, no supone un peligro para el funcionamiento de la red. Noobstante,es de importancia decisiva para el dimensionado del pararrayos.

, que tienen lugar durante las maniobrasde cierre y apertura y consisten principalmente en oscilaciones fuerte-mente amortiguadas con frecuencias de hasta varios kHz y una magnitudde hasta 3 p.u.Un caso especial es la maniobra en circuitos elctricos inductivos.Aqu, eltiempo de frente de la onda oscila entre 0.1 y 10 s y el valor mximopuede alcanzar los 4 p.u. Tambin existe la posibilidad de sobrecarga defrente rpido cuando las lneas o los cables estn conectados. Los valoresde cresta se sitan,en este caso,por debajo de los 2.2p.u. y no representaningn peligro para la red.

originados en descargas atmosfricas.Alcanzan su valor mximo en unos pocos s para decrecer a continuacinmuy rpidamente. La magnitud de estas sobrecargas unipolares en unared de media tensin puede superar muy bien las 10 p.u.

Las solicitaciones por rayos son la mayor amenaza para las redes demedia tensin. Los pararrayos deben disponerse de forma que limiten lassolicitaciones a valores que no sean dainos.

Evitando la solicitacin producida por las descargas elctricas de losrayos en el punto de origen, por ejemplo, mediante la instalacin decables de tierra delante de la subestacin que intercepten el rayo.Limitar la solicitacin cerca del equipo elctrico, por ejemplo, mediantepararrayos en las proximidades del equipo elctrico.

La proteccin ms eficaz contra las sobretensiones en una red demedia tensin es, en consecuencia, el uso de pararrayos en lasproximidades del equipo elctrico.

Sobretensiones temporales

Sobretensiones de maniobra

Solicitaciones debidas a rayos

m

m

2. Tecnologa de los pararrayos

Los pararrayos denominados "convencionales" fueron utilizadosexclusivamente en redes de MT (MT = media tensin) hasta mediados delos aos ochenta del siglo veinte. Estaban formados por resistencias deSiC y explosores conectados en serie.Durante la subida de la sobretensinlos explosores se ceban provocando un cortocircuito a tierra, reducido a lacorriente subsiguiente por los varistores de SiC en serie, permitiendo eldescebado de los explosores en el inmediato paso por cero de la corriente.

En los ltimos aos ha habido dos mejoras fundamentales en los para-rrayos utilizados en las redes de MT. Por una parte, la conexin en serie deresistencias de SiC y explosores ha sido sustituida por resistencias varia-bles de xidos metlicos (varistores de OM) sin explosores y, por otra parte,las envolventes de los pararrayos fabricadas en porcelana han sidosustituidas por otras fabricadas con material polimrico sinttico.

Los pararrayos protegen el equipo elctrico aunque se encuentren insta-lados otros elementos de proteccin. En consecuencia, se puede tener enfuncionamiento en la misma instalacin tanto los pararrayos de explosoresconvencionales como los modernos pararrayos de OM. Incluso no esnecesario que un equipo elctrico sea protegido en sus tres fases por elmismo tipo de pararrayos. As, el usuario podr sustituir de forma sencillaun pararrayos de explosores cuando haya dejado de funcionar por unmoderno pararrayos de OM. Ello permite al usuario introducir de formaeconmica los pararrayos de OM que cuentan con una elevada seguridadde funcionamiento.

Una ventaja fundamental de los pararrayos de OM es que, debido a lacaracterstica extremadamente no lineal de los varistores de OM, stos nonecesitan explosores. La circulacin de corriente se inicia a travs delpararrayos antes de que la sobretensin alcance el valor U . As, lospararrayos de OM reducen la sobretensin mucho antes que los explo-sores. Estos ltimos no son capaces de conducir hasta que la sobretensinhaya aumentado hasta U . En consecuencia, su distancia de proteccin esmenor en muchos casos, lo cual significa que la sobretensin en el equipoelctrico es mayor si se instala un pararrayos de explosores en lugar de unpararrayos de OM, puesto que ambos tipos de pararrayos estn colocadosnormalmente a la misma distancia del equipo a proteger.

La tensin de respuesta de los explosores aumenta cuando el tiempo desubida pasa a ser de mayor pendiente (< 1 s). Ello provoca la incapacidadde proteccin de los pararrayos con explosores en caso de una onda desobretensin con un frente en pendiente.

Si el aislamiento externo del pararrayos est muy polucionado, la distri-bucin del potencial a lo largo de la superficie es muy desigual. Es posibleque entre las aletas aparezcan arcos parciales que pueden inducir sobre-tensiones en la parte activa. Esta situacin es especialmente crtica en losexplosores, porque puede conducir al cebado de forma intermitente yfinalmente acabar destruyndolo. Esta es la razn por la cual los para-rrayos de OM sin explosores presentan una mayor insensibilidad a lacontaminacin.

En caso de que varios explosores estn conectados en paralelo, normal-mente uno de los pararrayos acta primero durante una sobretensin, loque reduce la sobretensin a un valor por debajo de la tensin de cebadodel resto de los pararrayos en paralelo. As, no es posible distribuir laenerga de la sobretensin entre los explosores conectados en paralelo. Encaso de que esta energa sea muy elevada, el pararrayos que acte estarsobrecargado. Esto es aplicable sobre todo a los explosores que estnconectados en paralelo a una batera de condensadores con una potenciareactiva elevada.

En el caso de pararrayos de OM sin explosores y en paralelo, todas lascolumnas de OM de stos conducen corriente al mismo tiempo.La energa

2.1 Pararrayos de OM y con explosores

p

p

3

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

de la sobretensin es, de esta forma, distribuida en todos los pararrayosen paralelo,de manera que el problema anterior desaparece.

Los pararrayos de OM pueden ser utilizados con 50 Hz y con 16 / Hzporque no estn sometidos a corrientes subsiguientes. Por otra parte, enlos explosores la corriente subsiguiente fluye con 16 / Hz tres veces mstiempo que con 50Hz. Como resultado, los explosores y las resistenciasde SiC deben soportar una energa correspondiente ms elevada.A fin deprevenir esta situacin, es necesario reducir el valor de cresta de lacorriente subsiguiente. Ello exige que los explosores sean de mayortensin nominal, lo que a su vez, no obstante, eleva considerablemente latensin de proteccin y, consecuentemente, la proteccin es menor. Parauna mejor comprensin de los hechos es necesario aadir que elpararrayos de OM puede ser utilizado con tensin continua mientras queel pararrayos con explosores no puede resistir este flujo.

La caracterstica tensin-corriente de las resistencias (varistores) dexidos metlicos es extremadamente no-lineal. En la Figura 1 se muestrala curva caracterstica de dichos varistores. I es la corriente nominal dedescarga (en Figura 1, p. ej. I = 10kA). U es el nivel de proteccin que sedefine como la mxima tensin en el varistor durante el flujo de I . U sedefine como el valor r.m.s. de la Mxima Tensin en Operacin Continua(MCOV) del varistor.

2

2

3

3

n

3. Varistores de xido metlico comoelementos del pararrayos

n p

n c

Figura 1

La curva caracterstica en la Figura 1 corresponde a un varistor conU = 4kV. En el caso de una aplicacin de tensin continua con

2xU =5.66kV fluye una corriente continua del orden de 0.1mA. Lacomponente capacitiva a 50hz y el valor de U se sitan cercanos a los0.5mA.El nivel de proteccin U para I = 10kA asciende a 13kV.

A modo comparativo, el diagrama muestra la curva de un varistor de SiC,tambin con U =13kV. Dado que el SiC muestra una no-linealidad consi-derablemente menor, la corriente continua en un pararrayos de SiC sinexplosores a una tensin nominal, ascendera hasta aproximadamente200 A. Naturalmente, por razones trmicas, un pararrayos de este tipo nosera factible y adems consumira demasiada energa de la red. Enconsecuencia, los pararrayos convencionales necesitan explosores enserie que controlen la tensin en funcionamiento continuo.

c

C

c

p n

p

Los varistores de OM constituyen la parte activa de los pararrayos de OM.Estos varistores de OM estn prensados y sinterizados formando bloquescilndricos constituidos por diferentes xidos metlicos en polvo. Losdimetros de los varistores de OM de ABB High Voltage Technologies Ltd,fabricados para ser utilizados en media tensin, varan entre 38 y 75mm.La altura de los bloques se encuentra, generalmente, entre 23 y 46 mm. Eldimetro de los varistores de OM define la capacidad de transporte decorriente y la altura de los varistores de OM (apilado de varistores) define latensin en funcionamiento continuo y la capacidad energtica. El dimetrode los varistores de OM est en relacin con las clases de descarga delnea segn la IEC 60099-4 y mostradas en la tabla 1.

Tabla 1

Tabla 1Correlacin tpica entre los varistores de OM y las clases de descarga delnea de acuerdo con la IEC. La clase de descarga de lnea 5 slo esimportante en sistemas de alta tensin superiores a los 420kV, noincluidos en esta publicacin.

Las superficies de contacto de los varistores de OM estn metalizadas conaluminio blando hasta el borde del bloque, la superficie est pasivada convidrio. De esta forma, los bloques de OM de los varistores de ABB High Vol-tage Technologies Ltd. estn completamente recubiertos. La Figura 2 mu-estra los varistores de OM utilizados en los pararrayos de media tensin.

La capacidad energtica de los varistores de OM, as como su volumen,depende de la construccin del pararrayos (disipacin de calor). El Apar-tado 4 ofrece ms detalles sobre este punto.

Clase de descarga de lneade acuerdo con IEC 60099-4

Dimetro de los bloques en mm

Onda cuadrada, 2000 s en A

Capacidad energtica (kJ / kVUc )

1

38

250

3.6

2

47

550

5.5

3

62

1000

9.0

4

75

1350

13.3

Figura 2Varistores de OM (gama) fabricados por ABB.

4

Figur 120

OM

SiC

200A

13

10

5.66

0

Curva semilogartmica de las caractersticas tensin-corrientede los varistores de y para Uc = 4 kVOM SiC

10-4

104

10-2

102

1 [A]

2 x Uc

Up = 4 p.u

In = 10 kA

[kV]

Medida de tensin continua Onda de corriente 8/20 s

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

4. Pararrayos de MediaTensin deABB

El deseo de incrementar la fiabilidad y la seguridad de los pararrayos y,junto a ello, tambin el incremento del consumo de energa, impulsaron eldesarrollo en los aos ochenta de los pararrayos de OM con envolvente desilicona. Durante ms de 30 aos la silicona era conocida como un exce-lente material de aislamiento en el campo de la alta tensin como porejemplo en aisladores de suspensin de longitud importante y pasatapas.Los primeros pararrayos de OM con envolvente de silicona de fabricacinABB (moldeo directo) aparecieron en 1986. Hoy en da existen en todo elmundo ms de 600.000 pararrayos instalados o en servicio bajo condi-ciones ambientales muy diversas.

En general, un pararrayos est formado por dos partes, una parte activa,que consiste en uno o ms varistores de OM apilados y una envolventeaislante que garantiza el aislamiento y la robustez mecnica.Los varistores de OM han sido descritos brevemente en el apartadoanterior.

Fundamentalmente existen tres procedimientos de construccin:

un tubo reforzado con fibra de vidrio se recubre con un material aislante.Estos aisladores, huecos, presentan los mismos problemas que los aislan-tes de porcelana, necesitan un sistema de sellado y alivio de presin ypueden presentar descargas parciales internas bajo condiciones decontaminacin.

la parte activa est recubierta con cinta de fibra de vidrio impregnadacon resina, formando un cuerpo rgido. A continuacin, la envolvente depolmero aislante se aplica sobre el bloque de resina o se introduce en l.Este tipo de construccin presenta la desventaja de que puede resque-brajarse en el caso de sobrecarga de los bloques de OM. Otra desventajala constituye el hecho que se utilizan diferentes materiales de aislamientolo cual significa que tambin existen ms interfases. En consecuencia,este tipo de construccin requiere tomar medidas especiales de sellado.

la parte activa se mantiene unida mecnicamente mediante lazos obandas de fibra reforzados con fibra de vidrio. La silicona se aplica direc-tamente a los varistores de OM.El moldeado directo presenta la ventaja deque el pararrayos no retiene volmenes de gas y los problemas de sellado,evitndose la aparicin de descargas parciales internas. Tampoco secrean interfaces entre polmeros en las que pueda penetrar la humedad,siendo asimismo imposible que tenga lugar una explosin o una fracturade la envolvente.

Todos los pararrayos de media tensin de ABB se construyen siguiendo eltercer procedimiento (moldeado directo).

Los requerimientos de los pararrayos dependen de las necesidades defuncionamiento y el tipo de equipo a proteger. Esta es la razn por la cualABB ofrece una amplia seleccin de diferentes tipos de pararrayos pararedes de media tensin y para aplicaciones especiales. La construccin, elfuncionamiento y las caractersticas de los pararrayos se describen amodo de ejemplo en [5]. En la Tabla 2 se muestran las principalescaractersticas elctricas de los pararrayos de media tensin deABB.

Los pararrayos para exterior disponen de envolventes de silicona conaletas. En el tipo MWD de interior, la envolvente de silicona es lisa (verfigura 3 y 3a).

El dimetro de los varistores de OM es proporcional a la capacidad deabsorcin de energa E y a la corriente de descarga nominal I . Los para-rrayos especiales del tipo POLIM-S y POLIM-H equipan varistoressimilares a los utilizados en los pararrayos de alta tensin. Estos tipos depararrayos amplan los valores normalizados en media tensin: puedenresistir las mayores presiones y,al mismo tiempo,proporcionan un valor

4.1 Construccin del pararrayos

n

Figura 3aPararrayos con envolvente de siliconaIzquierda: MWK para exteriorDerecha: MWD para interior

Figura 3Pararrayos de OM con envolvente de silicona (familia POLIM)

5

POLIM-DN

POLIM-D

POLIM-DA

MWK / MWD

POLIM-I

POLIM-S

POLIM-H

IkA

n

I Aen t sen

E/UkJ / kV

c

Uc

U / Up c

5

10

10

10

10

10

20

65

100

100

100

100

100

100

2000

2000

2000

2000

2000

2000

2000

.3 5

5.5

5.5

9.0

13.3

350

550

550

1000

1350

3.33

3.5

3.33

3.07

3.07

3.00

3.19

3.6 250

Altacorriente

kA

Onda cuadradaTipo depararrayos

Principales caractersticas elctricas de los pararrayos de MT ABB(tipos ms comunes). E / U determinada en ensayos de larga duracin.c

2.6

Tabla 2

150

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

6U

[p.u.]

1.0

0

0.5

10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104

4/10 s1/5 s

8/20 s

30/60 s2000 s

I [A]

bajo de la tensin de proteccin. La tensin de funcionamiento continuo Ude los pararrayos de MT en laTabla 3 vara entre 4 kV y 36 kV.

Adems de los tipos anteriormente mencionados,ABB fabrica tambin lospararrayos especiales POLIM-C. Estos pararrayos tambin estn cons-truido de acuerdo con el principio de moldeo directo, ya mencionado. Lacorriente de descarga nominal es I =10kA y la tensin de servicio con-tinuo U va desde 1kV hasta 7.2 kV.En sistemas de media tensin este tipode pararrayos se utiliza, entre otras aplicaciones, para proteger laspantallas de los cables no puestos a tierra.

El funcionamiento de un pararrayos formado nicamente por varistores deOM en serie (sin explosores), es extremadamente simple.Ante una sobre-tensin entre los terminales del pararrayos, la corriente aumenta de formacontinua y sin interrupcin a travs del pararrayos, de acuerdo con lacurva U-I caracterstica mostrada en la Figura 4, significando que, enrealidad, no se ha producido cebado. Sin embargo, las condiciones en elpararrayos se acercan continuamente a las de descarga.Tras la reduccinde la sobretensin la corriente vuelve a disminuir segn la caractersticaU-I. A diferencia de los explosores, en estos pararrayos no aparececorriente subsiguiente.

c

n

c

En los ltimos 15 aos la mayora de los nuevos pararrayos de OM seutilizaban en instalaciones de alta tensin [4]. Hasta hace unos pocosaos, los pararrayos convencionales, formados por resistencias de SiC yexplosores en serie, se seguan empleando en las redes de distribucin.Actualmente, se utilizan casi exclusivamente pararrayos de OM sin explo-sores, con envolvente polimrica. Los motivos de este cambio tecnolgicoson una mayor eficacia de funcionamiento, nivel de proteccin de tensinms bajo con sobretensiones de frente muy rpido y una elevada resis-tencia a la contaminacin.

La constitucin de la parte activa sin explosores significa una mayorrobustez mecnica y, debido tambin a la sencillez constructiva de estospararrayos, pueden tambin asumir la funcin de aislador soporte y notienen riesgo de explosin en caso de sobrecarga.La silicona es el materialaislante con mejor comportamiento frente a la suciedad, por lo que lospararrayos con envolvente de silicona tienen unas prestaciones muy altasen emplazamientos con alta contaminacin.

La silicona es un excelente material aislante para los componentes de altatensin. La comparacin con los materiales de aislamiento tradicionales,como la cermica, el vidrio y otros materiales sintticos (por ejemplo:Monmero de Etileno-Propileno-Dieno o EPDM) es claramente favorable ala silicona. Tal y como ya se ha mencionado brevemente, durante la fabri-cacin de los pararrayos, el aislamiento de silicona se aplica al cuerpo delpararrayos vertiendo (o inyectando) la silicona lquida en moldes a altatemperatura. Pueden utilizarse diferentes moldes para obtener la uninptima entre el aislante y el componente de OM del pararrayos. El aislanteas producido presenta las siguientes propiedades:

En la cadena qumica principal no existe ningn hidrocarburo; estacaracterstica es fundamental en la gran inmunidad del aislante frente a lacontaminacin superficial, adems de evitar, en gran medida, la formacinde lneas de contorneo carbonizadas.

El material es hidrorepelente, de manera que, incluso tras un contactoexcesivo con el agua, slo unas pocas gotas quedan adheridas a lasuperficie. Esta propiedad se denomina en la industria como hidrofo-bicidad. Las gotas de agua que quedan adheridas a la superficie soneliminadas rpidamente por la accin de la gravedad o del viento.

El efecto hidrofbico tambin es transferido parcialmente a los depsitosde suciedad sobre la superficie, lo que evita que se formen depsitossemiconductores tan rpidamente como en otros tipos de materiales deaislamiento. Esta es la razn por la cual las corrientes de fuga superficialessobre los aislantes de silicona son extremadamente bajas. La literaturatcnica explica la transferencia del efecto hidrofbico a los depsitos desuciedad como debida a la evaporacin de las molculas ligeras desilicona. La hidrofobicidad se reduce temporalmente por la accin defuertes descargas parciales o una extrema exposicin al agua, pero estosucede en mucha menor medida con la silicona que con el resto demateriales. Este hecho queda claramente demostrado por elenvejecimiento artificial del EPDM y la silicona de acuerdo con el ensayoindicado en la IEC 1109 (ver Figura 5). Tras 5000 horas de aplicacinalternada de niebla salina y radiacin UV, la silicona sigue conservando el50 por ciento de su propiedad repelente del agua, mientras que el EPDMha perdido totalmente esta propiedad. Las pruebas han demostrado,adems, que el efecto hidrofbico puede restablecerse a su estadooriginal dejando secar la silicona durante varias horas.

4.2 Aislamiento de silicona

Figura 4Caracterstica Tensin-Corriente (U-I) normalizada de un pararrayos deOM con

El nmero de varistores a apilar depende de la U del pararrayos. El apiladocilndrico de varistores de OM se dispone en el interior de un materialpolimrico (silicona) por moldeo directo, tal como se ha descrito.

El paquete de varistores se comporta capacitivamente bajo U . Lacapacidad parsita de cada varistor individual respecto a tierra provoca lano-linealidad de la distribucin de tensin a lo largo del eje del pararrayosbajo U . Esta no-linealidad aumenta con la longitud del apilado devaristores [3] y esta es la razn por la cual los pararrayos de alta tensinnecesitan anillos de guarda que compensen, principalmente, la influenciadesfavorable de las capacidades parsitas. Debido a la longitud relati-vamente corta de la parte activa de los pararrayos de distribucin, la no-linealidad es tan baja que puede negligirse, por lo que estos pararrayos nonecesitan anillos de guarda.

c

c

c

I = 10 kA.n

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

Los ensayos de corta duracin especificados en la IEC 507 proporcionanlas bases para dimensionar el aislador. En algunos casos, el compor-tamiento del aislante puede variar en determinadas condiciones comoresultado de la intervencin de otros parmetros (por ejemplo: debido a laforma de las aletas). No obstante, se puede afirmar de modo general que,tanto para la silicona como para los aisladores cermicos, la contami-nacin elevada exige una lnea de fuga ms larga.La mencionada reduccin temporal de la hidrofobicidad se tuvo en cuentaen el diseo de los pararrayos POLIM, adoptando una lnea de fuga espe-cfica no reducida. Todos los pararrayos mencionados con aislamiento desilicona han sido diseados con una lnea de fuga especfica de al menos25mm por kV, lo que proporciona un margen de seguridad muyimportante.

Siempre que ha sido posible, los ensayos de contaminacin y duracinhan sido llevados a cabo sobre los pararrayos de OM completos. Losensayos fueron realizados segn diversas normas (por ejemplo, ensayo de1000 horas en una habitacin hmeda con IEC 1109, ensayo de 5000horas de ciclo de envejecimiento y prueba de niebla salina con IEC 507),demostrando que el aislamiento de silicona proporciona mejores resulta-dos que los dems tipos de aislantes tras diez aos de servicio.

7

00

1

2

3

4

5

8cm/kVrms

kg/m33 4 5 7 10 15 20 30 40 80

Lne

a de

fuga

Contenido de sal del agua

2.5

5

4

3

2

1

00

1000 2000 3000 4000 5000h

HC H

idro

fobi

cida

d

Tiempo de pruebatv

6

70%=

100%=^

^

Los ensayos de niebla salina indicadas en IEC 507 tambin demuestranque, asumiendo la misma salinidad en cada caso, las lneas de fugarequeridas para el aislamiento de la silicona son,por trmino medio, un 30por ciento ms cortas que las necesarias con aislamientos de cermicaver Figura 5a. Consecuentemente, las lneas de fuga de los aisladoresde silicona pueden ser reducidas en esta proporcin.

Figura 5aComparacin de la lnea de fuga especfica para los aisladores deporcelana (negro) y silicona (blanco) en funcin del contenido en sales enel ensayo de niebla salina de acuerdo con la IEC 507.

Figura 5Modificacin de las propiedades hidrofbicas en EPDM (negro)y silicona (blanco) en el ensayo de envejecimiento acelerado segn laIEC 1109.

La capacidad de absorcin de energa garantizada de los tipos con clasesde descarga 2 y superiores puede ser probada mediante solicitacin porcorrientes rectangulares, similares a los ensayos de pararrayos de altatensin.

Los valores garantizados contienen un cierto margen de reserva ener-gtica y, en consecuencia, no significan el lmite de estabilidad trmica delpararrayos.

En cualquier caso, los pararrayos experimentarn un fuerte calentamientocuando deban soportar corrientes muy elevadas debidas a rayos. Enconsecuencia, necesitan entre dos descargas de este tipo, un tiempo deenfriamiento adecuado. Sin embargo, esta reduccin no es importantedebido a que es muy poco probable que el mismo pararrayos tenga quesoportar una segunda descarga debida a otro rayo durante su tiempo deenfriamiento. Esta es la razn por la cual la muestra de prueba se dejaenfriar hasta los 60C durante el ensayo de tipo con corriente elevada [6]entre las dos descargas.

El tiempo de enfriamiento necesario del pararrayos depende, entre otrascosas, de la temperatura ambiente y del nivel de tensin de operacin,aumentando con ambos. En el caso ms desfavorable, con unatemperatura ambiente de 45 C y U ,son vlidos los siguientes valores:

Tiempo de enfriamiento entre dos rayos muy potentes(65kA y 100kA respectivamente):

Tipo POLIM-S y POLIM-H intervalo no necesarioDems tipos de pararrayos 75 minutos

Tiempo de enfriamiento entre dos descargas deenerga segn la Tabla 2:

Tipo POLIM-S y POLIM-H 60 minutosDems tipos de pararrayos 60 minutos

C

4.3 Capacidad de absorcin de energay tiempo de enfriamiento

Los pararrayos pueden funcionar de forma fiable en las redes si sucapacidad de absorcin de energa es mayor que las solicitaciones deenerga que se espera puedan originarse con el funcionamiento delsistema. En la Tabla 3 se muestran algunos ejemplos de solicitacionessobre los pararrayos en la red. Los pararrayos de clase de descarga 1presentan la mayor solicitacin energtica con altas intensidades (65kA y100kA respectivamente). Para probar la estabilidad trmica bajo estassolicitaciones,debe realizarse un ensayo de tipo especial.

Tipo depararrayos

POLIM-DN

POLIM-D

POLIM-DA

MWK, MWDPOLIM-I

POLIM-S

POLIM-H

200 km lnea

kJ/kV Uc

10 km cable

kJ/kV Uc kJ/kV Uc kJ/kV UckA kA

In8/20 s

Alta tensin4/10 s

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.33

0.33

0.33

0.33

0.33

0.33

5

10

10

10

10

20

0.48

0.47

1.0

3.4

3.3

3.2

100

100

100

65

100

100

0.55 3.6

3.5

Tensin de carga 3.5 p.u. Forma de la onda de corriente

Tabla 3Solicitacin energtica de los pararrayos en redes de MT.

2.26

0.53

2.6

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

jchaparroResaltado

4.4 Corriente nominal de descarga y capacidad deabsorcin de energa

Los pararrayos con una corriente nominal de descarga de 5kA handemostrado ser suficientemente fiables en las redes de MT. Esta es larazn por la cual se utilizan generalmente los tipos POLIM-D y POLIM-DNrespectivamente.

La capacidad de absorcin de energa de estos tipos es mucho mayor quelas solicitaciones esperadas en la red, excepto las altas corrientes debidasa rayos muy potentes. Estas corrientes tambin pueden ser controladaspor los pararrayos, no obstante, es poco probable que aparezcan. Talescorrientes pueden llegar a pasar a travs del pararrayos slo cuando elrayo cae directamente sobre el mismo. Los valores de energa se dan en laTabla 2 y 3.

En lneas areas con postes de madera, incluso los rayos cados a bastantedistancia pueden provocar corrientes relativamente elevadas que pasen atravs del pararrayos. Si la tensin de cebado entre el cable y tierra es deU = 3000 kV y la impedancia caracterstica del cable es Z = 450 de laecuacin (3) se deduce que se podr esperar una corriente de tipo rayo dehasta 13kA en el pararrayos. Esta corriente produce en los pararrayos conI = 5kA una tensin residual que se sita un 15% por encima de U . Deesta forma, la proteccin del equipo elctrico empeora. Por ejemplo, si sesita en el extremo de una lnea area de 10km, una vez cada tres aosestar expuesta a un incremento de solicitacin de tensin de este tipo.Esta es la razn por la cual ABB cuenta tambin entre su gama de para-rrayos de MT con los tipos MWK, MWD, POLIM-I, POLIM-S y POLIM-H.Todos ellos poseen corrientes nominales de descarga de 10kA y 20kArespectivamente. Su utilizacin se recomienda en todas partes donde sehayan establecido los requerimientos mximos en trminos de resistencia,seguridad de funcionamiento y nivel de proteccin.

Este es el caso en:regiones con una elevada actividad elctrica atmosfricalneas areas con postes de madera o de hormign y crucetas nopuestas a tierra.pararrayos situados en emplazamientos habitualmente frecuentadas porpersonasen lneas en las que se requiera una elevada seguridad de funcio-namientoproteccin de motores,generadores y cablesreas con una elevada contaminacin industrial o donde los pararrayosse encuentran a menos de 1000m del mar

En los casos en que estn recomendados los pararrayos de 10 kA tambinsupone una ventaja contar con una capacidad elevada de absorcin deenerga para lo que deber escogerse un tipo de pararrayos con una clasede descarga de lnea 2 o superior. Esta es la razn por la cual estospararrayos presentan una elevada capacidad energtica de al menos5.5kJ / kV (MWK,POLIM-I,POLIM-S).

La peculiaridad de algunos equipos elctricos,como por ejemplo:hornos de arcograndes bateras de condensadoreslneas de cable muy largasmquinas rotativas muy costosas

pueden hacer necesaria una capacidad de absorcin de energa mselevada. En tales casos, es preferible utilizar el tipo especial POLIM-H conI = 20 kA y con 13.3 kJ / kV

n p

Uc

n Uc.

8

5. Condiciones especiales de operacin

5.1 Potencia de cortocircuito de la red

5.2 Temperatura ambiente elevada

5.3 Estabilidad mecnica

Cualquier pararrayos puede sobrecargarse. Entre las causas se encuen-tran las descargas de corriente extremadamente elevadas (rayos), un grannmero de descargas mltiples [16,17] o la denominada descarga decontorneo del dispositivo. Este ltimo caso, por ejemplo, puede serconsecuencia del contacto entre dos sistemas de niveles distintos detensin. La tensin en el sistema de menor nivel de tensin se eleva porencima del lmite permitido para un pararrayos conectado en el mismo.Una sobrecarga de cualquier tipo provoca un cebado o una perforacin enel varistor, dando como resultado un arco en el pararrayos cuya intensidadcorresponde a la corriente de cortocircuito de la red a su tensin deservicio.

En los pararrayos con aislamiento de porcelana el arco elctrico resultantehace que la presin de gas en la envolvente se eleve muy rpidamente. Sila corriente de cortocircuito de la red no es demasiado elevada, la vlvulade sobrepresin en el pararrayos se abre antes de que se alcance lapresin de rotura del aislador. Por otra parte, si la corriente es demasiadoelevada,no se puede descartar que llegue a explotar la envolvente.Con los pararrayos en polmeros de silicona de ABB no existe peligro deestallido en caso de una sobrecarga. Entre la parte activa del pararrayos ysu aislamiento de silicona no queda espacio de aire, con lo cual, es impo-sible que aparezca ningn tipo de sobrepresin. En caso de una sobre-carga, aparecen orificios en la cubierta que inmediatamente dan lugar alinicio del cebado.Los pararrayos de MT de los tipos POLIM-D, MWK y MWD han sidoprobados con corrientes de cortocircuito de hasta 20kA. Los tipos POLI- I,POLIM-S y POLIM-H se prueban con corrientes de cortocircuito de hasta65kA.Dada su especial construccin, los pararrayos tambin son seguroscontra la explosin y la destruccin con las ms altas corrientes decortocircuito.

Los valores garantizados para U son vlidos para una temperaturaambiente de hasta 45 C. En el caso de pararrayos instalados en el exte-rior, la radiacin solar extrema (1.1 kW/m ) debe ser tenida en cuenta. Siexisten otras fuentes de calor en las cercanas del pararrayos, elincremento en la exposicin a la radiacin tambin deber ser tenido encuenta y el valor de U deber ser incrementado en caso necesario. Si latemperatura ambiente supera los ,U deber ser incrementada en un2% por cada 5 C de aumento de temperatura.

El funcionamiento de los pararrayos producidos por ABB es fiable inclusoen reas de elevada actividad ssmica. Los pararrayos de silicona de ABBpueden tener tambin una funcin de soporte. En el caso de resistencia a

c

c

C

2

45 C

POLIM-DN

POLIM-D

POLIM-DA

MWK, MWD

POLIM-I

POLIM-S

POLIM-H

250

250

350

350

2500

4000

6000

50

50

50

68

100

100

100

625

625

1000

1200

2000

3000

4000

Tipo de pararrayos Resistencia a laflexin Nm

TorsinNm

CargaVertical

Tabla 4Caractersticas mecnicas de los pararrayos de MT producidos por ABB.

jchaparroResaltado

95.5 Tamao de los pararrayos en funcin de la altitud

6.1 Nivel de proteccin del pararrayos

Los pararrayos normales para MT fabricados por ABB pueden ser utiliza-dos en altitudes de hasta 1800 metros por encima del nivel del mar.A alturas superiores, la densidad del aire es tan baja que la tensin sopor-tada ms elevada de la envolvente del pararrayos puede dejar de sersuficiente para evitar la formacin de arcos de contorneo (cebado). En estecaso, las partes activas no modificadas del pararrayos (mismo nivel deproteccin) deben ser colocadas en una envolvente con mayor lnea defuga.

Como valor orientativo, se puede considerar que para cada 1000 metrospor encima del nivel de los 1800 metros, la distancia de formacin de arcode la envolvente debe aumentarse en un 12%. Por ejemplo, a una altitudde 3300 metros por encima del nivel del mar, la distancia de formacin dearco de la envolvente debe ser un 18% mayor que la de un pararrayosnormal.

El nivel de proteccin U es la tensin mxima en los terminales del para-rrayos durante el paso de la corriente nominal de descarga que, deacuerdo con la definicin, muestra una forma de onda de 8/20 s. El picode corriente se alcanza tras aproximadamente 8 s y tras aproximada-mente 20 s decaer hasta un 50% del valor mximo. En el caso de lospararrayos con explosores, U tambin se da mediante la tensin estndarde impulso tipo rayo. Este es el menor valor de pico probable de un impulsoestndar de tensin de tipo rayo (1.2 /50 s) que, cuando se aplica sobreel pararrayos, provoca contorneos en cada aplicacin. Prcticamente, elmismo nivel de proteccin puede obtenerse mediante pararrayos de OM y

6. Caractersticas de proteccin y estabilidaddel pararrayos.

p

p

la flexin, debe distinguirse entre cargas temporales y funcionales deacuerdo con la DIN 48113.Los esfuerzos permitidos resultan del productode la altura del pararrayos y el mximo momento de carga permitido. En laTabla 4 se muestran los datos mecnicos de los diferentes tipos depararrayos.

La silicona es el mejor material aislante frente a la contaminacin. Ello esdebido, principalmente, a que el material es repelente al agua. Los para-rrayos de silicona se comportan de forma ms favorable bajo condicionesde elevada contaminacin atmosfrica que los pararrayos con aislamientode porcelana u otros aislantes a base de polmeros. Cabe destacar, ade-ms, la caracterstica de autolimpieza de la propia silicona. Los contami-nantes y la suciedad no se adhieren bien a la cubierta flexible y soneliminados por el agua de la lluvia.

5.4 Contminacin atmosfrica

Figura 6Hidrorepelencia en la superficie de la silicona (efecto hidrofbico)

pararrayos de explosores con una tensin de servicio continuo idntica U .U se sita en aproximadamente 3.33 U o por debajo de este valor. Losrespectivos catlogos incluyen valores ms precisos.

Las caractersticas de proteccin de un pararrayos consisten no slo en elvalor U sino en otras dos propiedades adicionales. La primera es el com-portamiento de los pararrayos ante frentes de onda rpidos, especial-mente importantes en los equipos de MT. El ensayo para los pararrayos deOM se hace con la corriente nominal de descarga, cuyo frente de onda sereduce de 8 s a 1 s. La tensin residual sobre el pararrayos alcanza unmximo de 1.13 U en esta onda de tensin de frente rpido. Debido a lano-linealidad de la curva caracterstica tensin-corriente caractersticadel pararrayos de OM, el tiempo de frente de esta tensin residual se sitaen un orden de magnitud de 50ns.

En comparacin con ello, la descarga o cebado en el frente de onda detensin referida a los pararrayos con explosores, tiene un valoraproximado de 1.15U . En este ensayo, la duracin del intervalo deelevacin se ajusta a aproximadamente 400 ns.

Una verdadera comparacin con un pararrayos de OM necesita un tiempode elevacin que tambin se site en los 50ns. Con un frente rpido deeste tipo, la tensin de cebado alcanza un valor de, al menos, 1.4 U . Deello se deduce que, con una onda de frente rpido, la tensin lmite delpararrayos con explosores es al menos un 24% superior que la delpararrayos de OM.

El comportamiento del pararrayos durante las sobretensiones demaniobra es otra de las caractersticas de proteccin. En los pararrayoscon explosores, la tensin de cebado alcanza aproximadamente el valorde U con estas sobretensiones de crecimiento relativamente lento. Lospararrayos de OM no tienen tensin de cebado. Con los pararrayos de MTel nivel de proteccin de maniobra se da mediante la tensin residual a500A de la onda de corriente 30 /60 s. La tensin residual alcanza0.77 0.83U en funcin del tipo de pararrayos. La tensin lmitedurante las sobretensiones de maniobra de los pararrayos con explosoreses,al menos,un 20% superior que la de los pararrayos de OM.En consecuencia, con la misma tensin de servicio continua, los para-rrayos de OM presentan una caracterstica de proteccin ms favorableque los pararrayos con explosores. Las cifras anteriormente mencionadasson vlidas para los pararrayos empleados en redes con neutro aislado opuesto a tierra a travs de una resistencia hmica elevada. Respecto a laseguridad en el funcionamiento, los pararrayos de OM presentan unaventaja adicional por el hecho de que tambin pueden resistir sobreten-siones temporales, tal y como muestra la Figura 8.Los pararrayos de OM y con explosores deben ser dimensionados deforma diferente en redes con sistemas de neutro puesto rgidamente atierra [8]. El resultado es que U puede ser tomada un 28% por debajo dela tensin nominal definida para el pararrayos con explosores. De ello seobtiene una caracterstica de proteccin para la tecnologa de OM que, enfuncin de la forma de la onda, resulta entre un 28% y un 42% inferior.

En la Figura 7, P es la potencia disipada en los varistores de OM en unpararrayos cuando se aplica U . Es evidente que P aumenta exponen-cialmente con la temperatura del OM que tambin da como resultado unincremento en el calentamiento de las partes activas. El enfriamiento delos varistores resulta del flujo de calor Q desde la parte activa hacia elexterior. A temperaturas inferiores, el punto crtico es P > Q. Aqu elenfriamiento no es suficiente para disipar las prdidas de potencia. Losvaristores continuarn calentndose y el pararrayos se destruir porsobrecalentamiento. Mediante un dimensionado adecuado de los varis-tores y un diseo de las medidas que permitan el enfriamiento de losbloques, es posible elevar el punto crtico a un nivel tal que, incluso sidurante el funcionamiento llegasen a producirse energas ms elevadas,este punto crtico sea imposible de alcanzar.

c

p C

p

p

p

p

p

p

c

c

6.2 Consideraciones sobre la estabilidadde los pararrayos de OM

jchaparroResaltado

JimmyAndersonResaltado

JimmyAndersonResaltado

JimmyAndersonResaltado

Figura 7Potencia disipada (P) en los discos de OM y flujo de calor (Q) desde laspartes activas del pararrayos hacia el exterior en funcin de la temperaturadel OM (T) a la tensin de servicio continuo U .

El significado de las Sobretensiones Temporales U es el de lassobretensiones a la frecuencia de operacin de duracin limitada. Lospararrayos con explosores requieren medidas especiales respecto a estastensiones. En estos pararrayos, la corriente subsiguiente aumentaconsiderablemente con la tensin de operacin. Si esta tensin se sitapor debajo de la tensin nominal del pararrayos, la corriente subsiguiente atravs del pararrayos ser demasiado elevada. En estas condiciones losexplosores no podrn extinguir el arco, es decir, volver a cebarse en cadauno de los siguientes semiciclos provocando la destruccin porsobrecalentamiento del pararrayos. En redes con sobretensiones tempo-rales la tensin asignada del pararrayos con explosores debe ser superiora U lo que, a su vez, tambin supone que se aumente el nivel de pro-teccin del pararrayos.En los pararrayos de OM no existe una corriente subsiguiente ya que seevita gracias a la curva caracterstica tensin-corriente extremadamenteno-lineal (Figura 4). Es por esta razn que los pararrayos de OM soncapaces de soportar elevacin de la tensin de funcionamiento durantelargos perodos de tiempo. La capacidad T del pararrayos bajo dichassobretensiones temporales se muestra en la Figura 8.

U =T x UT es,por tanto,una medida para el nivel ms alto permisible de U .

La curva en la Figura 8 es vlida para pararrayos sin una carga ener-gtica previa significativa. Cuanto ms elevado sea T y la U respectiva,mayor ser la potencia producida en el pararrayos. Debido a que latemperatura del OM no puede superar un valor determinado por razonesde estabilidad, la energa suministrable al pararrayos tambin tiene unlmite. Por esta razn, la duracin de la carga permitida t disminuye con lamagnitud de T respecto a U . La curva es vlida para pararrayos que enel tiempo t=0 han sido cargados previamente con una energa espe-cificada E. Naturalmente, la curva b si sita por debajo de la curva . Lospararrayos que han sido previamente cargados con los valores E /Uespecificados en la Tabla 2 pueden, no obstante, soportar sobretensionestemporales que corresponden a la curva . Ello implica que la capacidadde absorcin de energa total del pararrayos supera estos valoresgarantizados.En el intervalo de tiempo t, la energa puede ser suministradaal pararrayos en cualquier momento dado en forma de impulsos deenerga.La suma de los impulsos,no obstante,no debe exceder el valor E.

C

TOV

TOV

TOV C

TOV

TOV

TOV

C

6.3. Sobretensiones temporales

a

b

a

b

Por otra parte, el mecanismo descrito muestra claramente los lmites de lacapacidad de absorcin de energa de los pararrayos de OM. La cantidadde energa suministrada nunca debe superar el punto crtico. Entonces,P

11

Ensayos de resistencia a impulsos de corriente de larga duracin:

Ensayos de tiempo de envejecimiento acelerado:

Ensayos de duracin en operacin:

Corriente de referencia I

este ensayo se realiza para comprobar que los varistores de OM soportanlas posibles solicitaciones dielctricas y energticas sin que aparezcanperforaciones,contorneo o rotura.

en este ensayo losvaristores son sometidos a una temperatura de 115 C durante 1000horas con una tensin superior a U . Con ello se observa si aumentan lasprdidas de potencia en los varistores a lo largo de su vida til. La vida tilse establece en 110 aos segn [7]. En este tiempo, los varistores de ABBdemuestran que no sufren ningn incremento en cuanto a prdidas depotencia: en consecuencia, no son sensibles a ningn proceso deenvejecimiento.

los parmetros significativos enestos ensayos son los siguientes:

Este es el valor mximo de la componente de corriente hmica con el cualse mide la tensin de referencia. I deber ser lo suficientemente grandecomo para que esta medida no se vea influida por la capacidad parsita delos componentes del pararrayos. La corriente de referencia debe serespecificada por el fabricante. Para los pararrayos de MT de ABB losvalores de I son los siguientes:

1.4 mA para POLIM-DN1.4 mA para POLIM-S,MWK1.6 mA para POLIM-DA2.2 mA para MWK,MWD,POLIM-I,POLIM-C3,6 mA para POLIM-S5,0 mA para POLIM-H

Definida como la tensin a la frecuencia de operacin con la corriente Ipor el pararrayos. U viene determinada por el valor mximo de tensindividido por 2.

Se trata del mayor valor eficaz (r.m.s.) permitido para la tensin afrecuencia industrial para el cual el pararrayos ha sido dimensionado, a finde funcionar correctamente en condiciones de sobretensin temporal tal ycomo ha sido establecido en los ensayos de duracin.

U est determinada por el fabricante del pararrayos y se sita para lospararrayos de ABB en 1.25 x U . Las tensiones U y U aplicadas durantelos ensayos deben ser incrementadas en consecuencia si:

Los varistores muestran un incremento de potencia perdida en losensayos de envejecimiento acelerado.

La tensin de referencia de la muestra utilizada en el ensayo es mayorque el valor mnimo garantizado para el pararrayos.

Los ensayos de duracin sirven tambin para probar la estabilidad trmicadel pararrayos. Se llevan a cabo en dos etapas. Primero se realiza elacondicionamiento de los varistores aplicndoles una tensin de 1.2 x U .A esta tensin se aplican 20 impulsos con la corriente de descarganominal. El acondicionamiento tambin puede llevarse a cabo sobre elpararrayos completo.

A continuacin, los varistores son instalados en la envolvente del para-rrayos y cargados con un primer impulso de corriente elevada. Despus deque la muestra utilizada en el ensayo se ha enfriado, se calienta a 60 C yse carga con un segundo impulso de corriente elevada. Unos 100msdespus del segundo impulso, la muestra se somete a una tensin defrecuencia industrial U durante 10 segundos y a continuacin a U durante30 minutos. En la ltima fase, el ensayo debe probar si la muestra perma-nece estable trmicamente o bien resulta inestable.

C

ref

ref

ref

ref

r

c r c

c

r c

ref

Tensin de referencia U

Tensin asignada U

ref

r

7.2 Ensayos de Rutina

Los ensayos de rutina se realizan sobre cada pararrayos o sus partes (porejemplo, los varistores) a fin de asegurar que el producto cumple con losrequisitos especificados en el diseo.

el valor medido de la tensin dereferencia U debe situarse dentro del intervalo de tolerancia establecidopermitido por el fabricante. El lmite inferior de U garantiza la estabilidadtrmica del pararrayos. Cuanto mayor sea el valor de U en los Ensayos

Medida de la tensin de referencia:ref

ref

ref

El ensayo descrito es vlido para los pararrayos de MT con una corrientenominal de descarga de 5kV y 10kV de clase de descarga de lnea 1.

El pararrayos habr pasado el ensayo si:

se ha conseguido la estabilidad trmica.

los cambios en la tensin residual, medidos antes y despus delensayo,no superan el 5%.

el examen no revela ninguna evidencia de perforacin, contorneo orotura de los varistores.

este ensayo sirve para confirmar experimentalmente lascurvas de la Figura 8 que normalmente se demuestran matem-ticamente. En consecuencia, sirven para comprobar la suficiente esta-bilidad del pararrayos contra sobretensiones temporales.

para los pararrayos con dis-positivo aliviador de sobrepresin. Este ensayo demuestra que la envol-vente del pararrayos puede soportar la corriente de defecto sin romperse,bajo condiciones de ensayo predeterminadas. Los pararrayos con envol-vente de material sinttico sin dispositivo de sobrepresin se ensayan deforma especial: son sobrecargados elctricamente, de forma intencio-nada,para observar su comportamiento en caso de sobrecarga.

este ensayo demuestra que laspartes internas del pararrayos no se deterioran a causa de la contamina-cin externa.Debe observarse en particular la elevacin de la temperaturade las partes activas producida por la distribucin desigual de la tensin alo largo del aislamiento externo contaminado. Con aisladores no cermi-cos como la silicona los ensayos de corta duracin no son significativos.

En ellos es necesario realizar ensayos de larga duracin para probar laestabilidad frente al envejecimiento del material de aislamiento y laimpermeabilidad de la construccin. Todos los pararrayos producidos porABB pasan con xito los ensayos cclicos de larga duracin.

Tensin a la frecuencia industrial respecto a la caracterstica detiempo y T:

Ensayo del dispositivo de sobrepresin:

Ensayo de contaminacin artificial:

Figura 9Pararrayos de OM tipo MWK tras un ensayo de sobrecarga con 20 kA(0,2 seg.) de corriente de cortocircuito.

de Rutina de un pararrayos, menor ser la potencia perdida con U y, enconsecuencia, mejor ser su estabilidad durante el funcionamiento en lared.

este ensayo debe demostrar que no sesobrepasa el nivel de proteccin garantizado del pararrayos. La tensinresidual puede medirse en los varistores individuales a corriente nominal.

este ensayo sirve para demostrar que elpararrayos est libre de descargas parciales. La medicin tiene lugar a unatensin de 1.05 x U en todo el pararrayos. Segn IEC [6] se permite unnivel de descargas parciales de < 50 pC. Los pararrayos de ABB seensayan a un nivel ms estricto, cumpliendo,por tanto,el lmite de 5pC.

este ensayo demuestra que la envolvente deporcelana sella hermticamente las partes activas del pararrayos. Estaprueba no se lleva a cabo con pararrayos de polmeros de silicona puestoque las partes activas son selladas directamente con la propia silicona.

Adems de los ensayos especificados en la IEC, a los pararrayos de MT deABB se les realizan los dos ensayos siguientes:

medicin de la corriente continua bajo U para cada pararrayos

ensayo de envejecimiento acelerado durante 300 horas, al menos, endos de los varistores de cada lote de produccin. Este ensayo aseguraque en cada aparato slo se utilizan varistores libres de envejecimiento.

Si se estipulan ensayos de recepcin en el pedido, se llevan a cabo lossiguientes ensayos sobre un cierto nmero de los pararrayos a entregar (elnmero de pararrayos a probar viene determinado por la raz cbica de lacantidad a suministrar, redondeada al entero inferior):

medicin la tensin de referencia

medicin de la tensin residual del pararrayos a la corriente nominal dedescarga

medicin del nivel de descarga parcial a 1.05 x U con un valor msestricto < 5pC, en comparacin con IEC

En la nueva edicin de las normas IEC ms relevantes [6] los ensayos arealizar se refieren a los pararrayos con envolvente de porcelana. En losdocumentos de trabajo IEC sobre pararrayos de OM con envolventepolimrica [22] se comentan ensayos especiales para stos. De acuerdocon estos documentos de trabajo e incluso superndolas, ABB realiza lossiguientes ensayos para los pararrayos de MT con aislamiento de silicona.

este ensayo muestra el comportamiento delpararrayos en condiciones de sobrecarga. Durante el ensayo, el para-rrayos es cargado deliberadamente con una tensin que se incrementahasta conseguir su destruccin y llegar a la corriente de cortocircuito delsistema.Debido a la especial construccin (completamente moldeado) y almaterial de aislamiento escogido (silicona) los pararrayos de MT de ABBson seguros contra la explosin y la destruccin hasta las ms altas corri-entes ensayadas. La silicona es un material autoextinguible. No se puedeproducir incendios por el desprendimiento de material de aislamientoquemado.

el ensayo muestra el compor-tamiento a largo plazo del material de aislamiento y la forma constructivafrente a situaciones ambientales cclicas como calor, humedad, lluvia,niebla salina y rayos UV durante la aplicacin continua de tensin. Elensayo comprende un total de 5000 horas.

c

c

c

C

Ensayo de tensin residual:

Ensayo de descargas parciales:

Ensayo de estanqueidad:

Ensayo de sobrecarga:

Ensayo climtico de envejecimiento:

7.3 Ensayos de recepcin

7.4 Ensayos especiales

12

Radiacin UV:

Bajas Temperaturas:

Humedad:

el material de aislamiento se expone durante 1000 horasa la radiacin UV y, adems, es humedecido. Se observa que las carac-tersticas de aislamiento de la silicona no se ven afectadas negativamentepor ella, sino al contrario, la radiacin UV favorece el proceso de reno-vacin permanente de la hidrofobicidad de la superficie de silicona.

la estructura as como los materiales utilizados enlos pararrayos de MT de ABB con envolvente de silicona resisten tempera-turas de hasta -60 C sin alteraciones en las caractersticas elctricas ymecnicas. Adems, el enfriamiento cclico hasta -40 C en agua hademostrado que la estructura y especialmente la superficie de silicona nose ven daadas por la formacin de hielo.

los ensayos de larga duracin de ms de 2 aos, en los cualeslos pararrayos han sido expuestos a una humedad relativa del aire de msdel 90%, han demostrado que el comportamiento elctrico de los para-rrayos no se ve afectado por la penetracin de la humedad ni tampoco elpararrayos deja de funcionar.

Para que los pararrayos se ajusten a los requerimientos de la red, debencumplirse dos condiciones en la seleccin de la tensin mxima defuncionamiento continuo U :

En la seleccin de los pararrayos para una red trifsica, la localizacin delos mismos desempea un papel decisivo: entre fase y tierra, entre elneutro del transformador y tierra o entre fases. La mxima tensin deoperacin en los bornes de los pararrayos se puede calcular a partir de latensin mxima entre fases U . Si este dato no se conoce, entonces Upuede sustituirse por la tensin ms elevada del sistema o la tensin mselevada del equipo elctrico.

En las redes trifsicas, debe concederse una especial atencin a la sobre-tensin temporal U , que se da con mayor frecuencia en las faltas a tierra.Su valor depende del mtodo de puesta a tierra del neutro del sistema.Adems, la gestin operativa del sistema es muy importante puesto quedetermina la duracin t de la sobretensin temporal y con sta se decide elvalor deT (t) para U .

UU -------

T (t)

Bajo condiciones de falta a tierra, la tensin en las fases "sanas" aumentahasta un mximo de U :

U U para un pararrayos entre fase y tierra

8. Seleccin de los pararrayosy determinacin de la Uc

c

m m

TOV

c

TOV

C

m

c m

U debe ser ms elevada que la tensin continua a frecuencia industrialen los bornes del pararrayos.

T x U debe ser mayor que la sobretensin temporal esperada en losbornes del pararrayos. Segn la Figura 8, T viene determinado por laduracin t de la sobretensin temporal. As, para determinar T tambindebe tenerse en cuenta t. Por motivos de seguridad, se suele utilizar lacurva inferior en la Figura 8.

C

c

8.1 Redes con compensacin de neutro ocon neutro aislado (alta resistencia hmica)

conexin a lnea area prxima (a unos cientos de metros) y en caso deterrenos secos o rocosos (resistencia elevada). En estos casos la tensinde fase en el emplazamiento del pararrayos ser prxima a U . Serecomienda:

UU ------- para pararrayos entre fase y tierra

T

En general, el sistema de proteccin contra faltas a tierra despejara lafalta muy rpidamente (t < 3 s): en consecuenciaT = 1.28.Bajo condiciones de puesta a tierra extremadamente difciles, por ejemploen las zonas desrticas, slo circula una pequea corriente de defecto encaso de una falta a tierra lejana. En caso de no ser detectado por el siste-ma de proteccin, el despeje no se producir. Los pararrayos situados enlas cercanas de la falta a tierra se cargarn durante un largo perodo detiempo con U .En tales casos es aconsejable escoger U U .

Recomendacin: en redes como las descritas anteriormente, si lospararrayos estn situados en un transformador con neutro puesto a tierracon una baja resistencia, entonces se acepta un U 1.4 x U / 1.28 x 3.Se recomienda que las conexiones a tierra de los pararrayos se conectengalvnicamente a la cuba del transformador y que dichas conexiones seanlo ms cortas posible.

Este apartado se refiere a redes cuyo neutro est conectado a tierra atravs de una impedancia tal que se limita la corriente de defecto, porejemplo, a 2kA. En caso de una falta a tierra, la tensin aumenta para unafase "sana" a U . Con una puesta a tierra resistiva del neutro la tensinpuede ser un 5% superior a U . Si el tiempo de despeje de la falta a tierrano supera t = 10 s,entoncesT = 1.26 (para el MWK):

1.05 x UU ------------- = 0.83 U

T

En casos especiales como,por ejemplo, transformadores en instalacionesde hornos de arco, pueden darse sobretensiones de maniobra que no sevean suficientemente limitadas por los pararrayos entre fase y tierra. Eneste caso,deben utilizarse pararrayos entre fases:

U U para pararrayos entre fases.

La disposicin de los pararrayos ser entonces compuesta por 6pararrayos,3 entre fase y tierra y 3 entre las fases.

La Figura 10 muestra una modificacin de este esquema de pararrayos,conocida con el nombre de diseo Neptuno, debido a su configuracin.Est compuesta por 4 pararrayos idnticos. Cada uno de los dospararrayos en serie est colocado entre fase y tierra y entre fases. Estaconfiguracin proporciona proteccin contra sobretensiones entre lasfases. No obstante, presenta una considerable desventaja en compa-racin con la configuracin de 6 pararrayos anteriormente descrita. En elcaso de una falta a tierra, por ejemplo, en la fase del pararrayos A1, lospararrayos A1 y A4 estn conectados en paralelo. Como los pararrayos secomportan de forma capacitiva bajo la tensin de funcionamiento conti-nuo, los 4 pararrayos juntos constituyen un sistema capacitivo asimtrico.Ello da como resultado que los pararrayos A2 y A3 alcancen un valor de0.667 x U . En consecuencia, los 4 pararrayos deben ser dimensionadospara:

U 0.667 x U

m

m

C

m c m

m m

m

m

m

C m

c m

m

c m

8.5 Redes con neutro puesto a tierra mediantebaja impedancia y C 1.4

8.6 Pararrayos entre fases (conexin Neptuno)

e >

13

La tensin en el neutro del transformador puede alcanzar un mximo deU / 3:

En todas las redes existen inductancias y capacidades que constituyencircuitos oscilantes. Si la frecuencia de resonancia es similar a lafrecuencia de operacin, la tensin entre fase y tierra puede llegar asuperar U en faltas monofsicas a tierra. La gestin del sistema debeevitar la aparicin de tales resonancias. Si ello no es posible, entoncesdeber escogerse una U de magnitud adecuada.

Las sobretensiones temporales son de la misma magnitud que lastratadas en el apartado 8.1. Sin embargo, el corte inmediato de las faltas atierra permite una reduccin de U mediante el factor T. Si, por ejemplo, eldespeje de la falta a tierra tiene lugar tras un mximo de t = 10 s,entonces,con la ayuda de la Figura 8,se deduce que T = 1.26.

En este tipo de red hay al menos suficientes transformadores con suneutro puesto a tierra a travs de una baja resistencia hmica como paraque, durante una falta a tierra, la tensin de fase no supere nunca 1.4 p.u.en todo el sistema (factor de falta a tierra C 1.4). Por tanto,U 1.4 xU / 3. Estimndose que el tiempo de despeje de la falta atierra llegue como mximo a t = 3s. De ello se deduce, por ejemplo, quepara el pararrayos MWK conT = 1.28:

La tensin del neutro de los transformadores no conectados a tierraalcanza un mximo de U = 0.4 x U :

0.4 x UU ------------- = 0.32 x U para un pararrayos entre el

1.28 neutro del transformador y tierra

Para pararrayos en las proximidades de transformadores con neutropuesto a tierra, U puede ser escogido de acuerdo con el apartado 8.3,puesto que en estos casos puede aplicarse que C 1.4.

Se debe tener la precaucin de dimensionar adecuadamente lospararrayos de proteccin de transformadores en los casos siguientes:cuando el transformador est alejado del pararrayos (unos pocoskilmetros), cuando el transformador est conectado a un cable con

m

m

c

c

e

TOV m

TOV m

m

C m

c

e

UU ------ para el pararrayos entre el neutro del transformador y tierra

3

UU ------- para un pararrayos entre fase y tierra

T

UU ------- para un pararrayos entre el neutro del transformador y tierra

T 3

1.4 x U 1.1 x UU ------------ = ------------ para un pararrayos entre fase y tierra

1.28 x 3 3

m

C

m

C

m

C

m m

C

8.2 Redes con neutro aislado (alta resistencia hmica)y despeje automtico de faltas a tierra

8.3 Redes con neutro puesto a tierrargidamente (C 1.4)

8.4 Redes con neutro puesto a tierra mediante bajaimpedancia, que no presentan Ce 1.4 uniforme

e

Las corrientes armnicas generan oscilaciones armnicas bajo lasfrecuencias de tensin de operacin. Por esta razn es posible que el valorde cresta de la tensin fase-fase pueda ser mayor que 2 x U . Si estadiferencia es inferior al 5% deber utilizarse una U en consecuencia mselevada siempre que U sea menor que 1.05 x U / 3 para pararrayosentre fase y tierra y menor que 1.05 x U para pararrayos entre fases. Porotra parte, si debido a las armnicas el incremento de tensin es mayor del5% la eleccin de U deber ser consultada con el fabricante del para-rrayos. La misma afirmacin es vlida para las formas de onda de tensinque se suelen ver cerca de convertidores de tiristores, escalones detensin,picos de cebado,asimetra en dos semiciclos.

Cuanto ms alto sea el Nivel de Aislamiento a Impulso (BIL) respecto alnivel de tensin de proteccin Up del pararrayos, mejor protegido estar elequipo elctrico contra las sobretensiones debidas a rayos. Los pararrayosmodernos con U = 3.33 x Uc y por debajo de este valor, mantienen unU 4 p.u. incluso estando colocados en un sistema con neutro puesto atierra con alta resistencia. Para los equipos elctricos que estn sujetos asobretensiones debidas a rayos, en [9] se recomienda los valores BILindicados en la tabla 5.Adems, la IEC [10] recomienda para las redes deMT un BIL > 1.4 x U .Tal y como puede verse en la Tabla 5, los pararrayosmodernos cumplen este requisito.

8.7 Tensin de operacin con armnicas

m

c

c m

m

c

p

p

p

9. Distancia de proteccin del pararrayos

14

El nivel de tensin de proteccin de esta disposicin en la cual siempre haydos pararrayos en serie es la misma que la de un pararrayos conU 1.334xU , mientras que con la configuracin de 6 pararrayos essuficiente U U . El nivel de tensin de proteccin del diseo Neptuno es,en consecuencia, un 33% ms elevado que para la configuracin con 6pararrayos.

c m

c m

U Uc m>

U Uc m>

U 0,667 x Uc m>

T T

A1 A2

A4

A3

Proteccin contra sobretensiones entre fasey tierra y entre fases

T:a):b):A1, A2, A3, A4

transformadorproteccin con 6 pararrayosdiseo neptunocuatro pararrayos idnticos con U 0.667 x Uc m>

a) b)

Figura 10

kV 3.6 7.2 12 17.5 24 36

kV 40 60 75 95 125 170

kV 12 24 40 58.3 79.9 119.9

3.33 2.5 1.88 1.63 1.56 1.42

Um

BIL

Up

BIL / Up

Tabla 5Tensin soportada a impulso (BIL) segn IEC [9] y nivel de tensin deproteccin de los pararrayos modernos con U = 4 p.u.p

El factor 1.4 est calculado con margen, ya que se debe tener en cuentaque la sobretensin puede superar Up en el equipo elctrico. Los efectosde reflexin provocan un aumento de la sobretensin en el equipo elc-trico cuanto ms alejado est del pararrayos. Ms all de una ciertadistancia, la proteccin del pararrayos es insuficiente. La distancia deproteccin L se define como la distancia mxima entre el pararrayos y elequipo elctrico proporcionando suficiente proteccin.

Con objeto de disponer de forma eficaz la proteccin contra sobreten-siones, es necesario conocer estas distancias de proteccin. A continua-cin se determinan stas para los pararrayos en sistemas de MT.

En la lnea area de distribucin de la Figura 11 se tiene una onda desobretensin U desplazndose con velocidad v hacia el extremo de la lneaE. En el punto E se encuentra el equipo elctrico a proteger. En el siguienteejemplo se ha considerado que el equipo elctrico que debe protegerse esde resistencia hmica alta (transformador, circuito abierto). Cuando laonda que se propaga alcanza E, es reflejada y la tensin se eleva a 2 x U.La funcin del pararrayosA es evitar que en el equipo elctrico se alcancenvalores de tensin inaceptablemente altos. Suponiendo la simplificacinde que la pendiente del frente de onda S de la onda de sobretensinincidente sea constante, la siguiente relacin ser vlida para el valormximo de U :

9.1 Anlisis terico de la distancia de proteccin L

E

2 x S x (a + b)U = U + --------------------- v = 300m/ s

V

La experiencia demuestra que un factor de seguridad de 1.2 es suficienteentre el BIL del equipo elctrico y la sobretensin debida al rayo U en elequipo elctrico.

BIL 2 x S x (a+ b)------- U = U + -------------------1.2 v

E p

E

E p

Sobretensin en el extremo E de la lnea

U: onda de sobretensin que se propagav: velocidad de propagacin de US: pendiente (frente de onda) de UA: pararrayos

U : nivel de proteccin de Aa, b: longitud de las lneas de conexinE: extremo de la lneaU : sobretensin en E

p

E

SU v

b

UpA

E

a UE

Figura 11

15

Sobretensin causada por un rayo incidiendo sobre una lnea area

F:Z:t:i(t):di / dt:u(t):S:

Lnea areaimpedancia de onda Ftiempocorriente total de descarga en funcin del tiempopendiente mxima de i(t)sobretensin del rayo en funcin del tiempomxima pendiente de u(t)

S =

u(t) =

Z x di / dt

Z xi / (t)

t

2

2

Z

F

i(t)

u(t)i/2i/2

Figura 12

Si el valor lmite se establece en L = a+b,entonces la ecuacin a utilizar (1)queda como sigue:

v BILL = ------------- x [ ------------- - U ] (1)

2 x S 1.2

Si la suma de las lneas conectadas a + b es menor que la distancia deproteccin L del pararrayos, el equipo elctrico estar protegido adecua-damente en el punto E.Para determinar la distancia de proteccin L a partirde la ecuacin (1), debe conocerse la pendiente S. El valor esperado de Sse estima en el siguiente apartado.

La Figura 12 muestra la cada de un rayo sobre un conductor de una lneade distribucin. La funcin temporal de la corriente de descarga es i(t).Desde el punto en que el rayo toca el conductor, fluye en ambos sentidosuna corriente debida al rayo i/2. Si Z es la impedancia del conductorrespecto a tierra, esta corriente genera una sobretensin de rayo u(t) conuna pendiente de subida de tensin S(t) entre el conductor y tierra. Tal ycomo se indica en la figura 12, S(t) no es constante en el tiempo. Enadelante se indicar la pendiente mxima de una onda de sobretensincon la letra S.

p

9.2 Pendiente esperada S de las sobretensionestipo rayo en Subestaciones de MT

En el 10% de los rayos, la mxima variacin de corriente de descargadi / dt es superior a 32kA / s. Cuando Z = 450 , uno de cada 10 rayoscrear una pendiente mxima de tensin de S 7200 kV / s. Unapendiente de este orden slo puede esperarse en las subestaciones si elrayo cae muy cerca. La probabilidad de que esto ocurra es relativamentebaja. A modo de ejemplo, un rayo con incremento de la corriente de ms32kA / s puede caer dentro de un radio de 25 metros alrededor de unasubestacin una vez cada 5000 aos por trmino medio.

Normalmente cabe esperar un ndice de elevacin de tensin muchomenor en la subestacin cuando el rayo caiga lejos de sta. Debido alefecto corona, el frente de la onda de sobretensin se aplana aldesplazarse desde el punto de cada del rayo hacia la subestacin. Si S esla pendiente en el lugar de la descarga, la pendiente a lo largo de lalongitud d de la lnea decrece hasta el valor.

1S = ------------------

1/S + K x d

o

0

La constante K depende de la geometra de la lnea area. En [11] se dacomo aproximacin K = 5 x 10 s / kVm para lneas de MT. Suponiendoque el punto de la descarga est a d = 135 m de la subestacin, un rayoprovoca un ndice de elevacin de tensin infinitamente grande. Segn lafrmula anterior, la pendiente S en la subestacin ser menor de 1500kV/ s debido al efecto corona. Ello significa que slo los rayos que caigansobre el conductor en un tramo de d = 135 m desde la subestacinpueden llegar a tener el efecto de S > 1500 kV/ s en la subestacin.De [12] puede derivarse que al ao caen, aproximadamente, 8 rayos enuna lnea area de distribucin de 100 km de longitud. Este nmero esvlido para las redes de MT alemanas de 10, 20 y 30 kV. En Alemania ladensidad media de cada de rayos es de 3 por ao y por km . Segn [13]estos valores suponen unos 25 rayos por ao cada 100 km de lnea areade distribucin. Este factor 3 veces mayor que el que ha sido determinadomatemticamente supone una lnea area de MT en terreno elevado. Ladiferencia debe atribuirse al hecho que las lneas de MT no suelen estar enlugares abiertos. Frecuentemente estn protegidas de los rayos por otraslneas vecinas, edificios y bosques. El caso siguiente utiliza el valoremprico de 8 rayos al ao por cada 100 km de lnea area. No obstante,debe tenerse en cuenta que en condiciones topogrficas desfavorablescabe esperar un mayor nmero de rayos. En lneas reas con una granactividad elctrica atmosfrica no debe excluirse la posibilidad de 100rayos al ao por cada 100 km de lnea area.La probabilidad de rayos en un tramo de d = 135 m es, por tanto, de 0.01al ao. En una subestacin de MT, se puede esperar sobretensiones porrayos con una pendiente de ms de 1500 kV/ s, al menos, una vez cada100 aos.

Estos dos ejemplos, escogidos arbitrariamente, demuestran que losndices de elevacin de tensin de valor elevado tienen lugar con menosfrecuencia que los pequeos. El grado de la pendiente esperada siempreest relacionado con la probabilidad de producirse. Suele ser costumbre,en lugar de la probabilidad, indicar el intervalo de tiempo t que por trminomedio pasa entre dos sucesos. Ciertamente, en el ejemplo anterior notodos los rayos que caen sobre el conductor en un tramo de d=135 mprovocan en la subestacin una pendiente superior a 1500kV/ s. Enalgunos de los rayos la pendiente de la onda de corriente aumentalentamente. Muchos rayos afectan a ms de uno solo de los tresconductores, lo cual supone una reduccin en el grado de elevacin de lacorriente en los conductores individuales y en consecuencia menoresndices de elevacin de la tensin.De mayor significacin es el hecho de que la elevacin de la corriente deimpulso es cncava [13]. Ello motiva que la mayor pendiente de lasobretensin tiene lugar en la zona de la tensin mxima, tal y como semuestra en la Figura 11. En ondas de tensin con una elevado valor decresta de la corriente de impulso se produce un cebado desde la lnea atierra antes de que haya sido alcanzada la tensin mxima. Enconsecuencia, la parte superior de la onda es cortada, de forma que no sellega a la pendiente ms elevada.As, slo una fraccin de los rayos que caen sobre el tramo de lnead=135m generan S>1500 kV/ s en la subestacin. La probabilidad deS>1500kV/ s es, por tanto, significativamente menor de 0.01 al ao.Esto puede ser evaluado con la ayuda de las estadsticas de corrientes derayos de Berger [14]. Suponiendo un crecimiento parablico de lacorriente, se obtienen para las pendientes estimadas en una subestacinde MT los valores indicados en la Tabla 6. Los valores ms bajos de S enlas lneas con crucetas puestas a tierra son el resultado de las menorestensiones de cebado de los aisladores frente a las tensiones de cebado alo largo de los postes de madera.

Los valores de t en la Tabla 6 han sido determinados suponiendo quepueden tener lugar 8 rayos al ao por cada 100km de lnea dedistribucin. Para el valor t slo son significativos los rayos que caensobre la lnea a 300 metros o menos de la subestacin. Si esta parte de lalnea no est protegida de los rayos por la proximidad de otras lneas,edificios o arbolado, el valor de t es 3 veces menor. Si, adems, existe ungrado extremadamente alto de actividad cerunica en la zona, entonces elvalor es incluso 12 veces menor.

-6

2

s

s

s

s

Tipo de lneaarea dedistribucin

Intervalo detiempot [aos]s

1940

1630

1450

1200

820

1850

1530

1350

1100

660

1060

920

820

700

520

820

730

660

580

440

1S[kV/ s]

1S[kV/ s]

2S[kV/ s]

2S[kV/ s]

Postes de madera contensin de cebado de

3000 kV

Red de 20 kV concrucetas puestas a tierra

600

400

300

200

100

16

Tabla 6Pendiente estimada S de las sobretensiones por rayos en subestacionesde MT: los valores indicados de S sern superados una vez, por trminomedio,en el intervalo de tiempo t .1 en el caso de rayos impactando en una fase2 en el caso de rayos impactando en las tres fases

U [kV]S [kV S[kV/ s]

Se ha supuesto que tengan lugar 8 rayos por ao y por cada 100 km delnea area de distribucin, con la premisa de que los rayos multifaseaparecen con mayor frecuencia que los de una sola fase. Por trminomedio, esta pendiente S se supera una vez cada 400 aos. La funcintemporal del aumento de la sobretensin es parablica y presenta unapendiente S cuando se alcanza el valor U:

t x Su(t) = -------------- (2)

4 x U

La ecuacin (2) se define para el intervalo de tiempo 0 t 2 x U/S. Sesupone una U = 660 kV para lneas con crucetas puestas a tierra. Esta esaproximadamente la tensin de contorneo de un aislador de lnea de 20kVcuando existen impulsos cortados de tensin con una pendiente de 800kV/ s y polaridad negativa.Si se introducen los valores U y S en la ecuacin (2), entonces queda claroque el crecimiento temporal de la sobretensin u(t) es prcticamente lamisma para ambos tipos de lnea. Debido a que el pararrayos limita latensin notablemente por debajo de U, el valor mximo de S en las lneascon postes de madera no tiene ningn efecto respecto a la distancia deproteccin del pararrayos. No obstante, las distancias de proteccin paraestos dos tipos de lnea son diferentes. La razn radica en la diferencia dealtura U de la onda de sobretensin que llega. La corriente de rayo i quepasa a travs del pararrayos alcanza aproximadamente el valor de cresta.

2 x U - Ui = ----------------- (3)

Z

En consecuencia, en el caso de lneas con postes de madera(U=3000kV), cuando Z=450 se puede prever una corriente de 13kAa travs del pararrayos.Respecto a las lneas con apoyos con cruceta puesta a tierra (U=660kV),la corriente se sita por debajo de los 3 kA. Esta diferencia influye en lalimitacin de tensin del pararrayos.As, sta es mayor en el caso de lneascon postes de madera lo cual lleva, en este tipo de lnea, a una distancia deproteccin del pararrayos ms corta.

s

p

2 2

Lnea area Postes de madera Crucetas puestas atierra

3000 6601550 800

9.3 Influencias sobre la distancia de proteccin conrelacin al equipo elctrico, los tipos de pararrayosY la disposicin de los pararrayos

Utilizando el BIL y U de la Tabla 5 y los valores anteriores de S en laecuacin (1), resultan las siguientes distancias de proteccin:

L = 2.3 m en caso de lneas con postes de maderaL = 4.5 m en caso de lneas con crucetas a tierra

Estos valores son vlidos para la suposicin simplificada de la Figura 11.En consecuencia, debern ser corregidas tal y como se muestra en laFigura 13. En general, el equipo elctrico, en este caso un transformador,tiene una capacidad C respecto a tierra. Ello genera oscilaciones detensin en las conexiones a y b, que hacen que la tensin U aumente conC. Lo cual lleva a una reduccin de la distancia de proteccin. Sinembargo, el crecimiento parablico de la sobretensin de rayo presentauna influencia opuesta. El pararrayos limita la sobretensin muy pordebajo de su valor de cresta. La pendiente mxima, que tiene lugar slo enla zona de tensin mxima,no tiene,en consecuencia,ningn efecto.Al despejar L a partir de la ecuacin (1), se est suponiendo que elpararrayos conducir nicamente cuando la tensin en sus bornesalcance el valor U . Este es el caso de los pararrayos con explosores. Lospararrayos de OM sin explosores conducen corriente antes de que latensin en los bornes haya alcanzado , por lo que la funcin protectorase inicia antes. Por tanto, en determinadas circunstancias, los pararrayosde OM protegen mejor el equipo elctrico alejado, lo cual es equivalente atener una distancia de proteccin ms larga.

Para la configuracin que se muestra en la Figura 13, se han calculado lasdistancias protegidas por los pararrayos. El incremento de la onda desobretensin se supone que es parablico y se supone tambin que elpararrayos presenta un valor de = 4 p.u. cuando I = 5kA. Con b 1m,el resultado para redes hasta 7.2kV es:

L = 20 m en caso de lneas con postes de madera,C=0L = 6 m en el caso de lneas con postes de madera,C = 2nFL= 25 m en el caso de crucetas puestas a tierra,C=0L = 15 m en el caso de crucetas puestas a tierra,C = 2nF

p

T

p

n

U

U

p

p

Figura 13

Estos valores son de aplicacin tanto para los pararrayos de OM comopara los de explosores. La influencia de la capacidad C del equipo elctricoen la longitud L se ve claramente. En la Figura 14 se describe la distanciade proteccin del pararrayos para los niveles de operacin de red deU =17.5kV y 24kV. Aqu tambin queda claro cmo decrece L con elincremento de la capacidad del equipo elctrico.

m

SU v

b

Upc

A

a

T

UT

Sobretensin en el transformador T

U: onda de sobretensin entrantev: velocidad de propagacin de US: pendientes mximas de UA: pararrayosU : nivel de proteccin de Ap

a, b: longitud de las lneas conectadasT: transformadorC: capacidad de T entre

fase y tierraU : sobretensin en TT

17

S=800 kV / s

U va

b

c

T

UT

U=660 kV

30

20 C=0

C=0,5nF

C=2nF

b (m)

L (m)

10

5

3

2

10 1 2 3 4 5

Distancia protegida del pararrayos para redes contensionesU = 17,5 kV y 24 kV, respecto a la longitud delconductor b.Si a+b L, entonces UT BIL / 1,2

m

C: Capacidad entre fase y tierra deltransformador Tpararrayos de OMpararrayos de explosoresU = 4 p.u. bei I = 5 kAlnea con postes de maderalneas con crucetas puestas a tierra

p n14a):14b):

S=1550 kV / s

U va

b

c

T

UT

U=3000 kV

b (m)

30

20

10

C=0

C=0,5nF

C=2nF

L (m)

5

3

2

10 0,5 b (m) 1 1,5

Figura 14a

Figura 14bFigura 15

Formas de conexin de pararrayosy equipo elctrico

Evaluacin de las conexiones:

1: pobre2: buena3: excelente

F: lnea con riesgo de rayosU: sobretensin de rayoA: pararrayosT: equipo elctrico (transformador)C: Capacidad de T a tierra

AC C C

U F

1 2 3

A AT T T

Figura 16Pararrayos de OM tipo POLIM-D 12 N con dispositivo desconectador,instalado en un transformador de distribucin