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5.5 CLCULOS PARA
LA SELECCIN
DEL
PARARRAYOS
SOTERRAMIENTO PARCIAL DE
LA LINEA ELCTRICA DC 132 kV
CASILLAS - PUENTE NUEVO Y
LANCHA - RIVERO
Manuel Snchez Tenorio
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Doc.5.5- Clculos de Seleccin del Pararrayos
1
INDICE 1 INTRODUCCIN
.........................................................................
2
2 FUNCIONAMIENTO
......................................................................
3
3 CRITERIOS DE DISEO
...............................................................
9
4 CALCULOS PARA LA SELECCIN DEL
PARARRAYOS......................... 15
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2
1 INTRODUCCIN
Los pararrayos son dispositivos previstos para limitar las
sobretensiones
transitorias que aparecen en la red. Estn constituidos por
discos de xido
de zinc con xido de otros metales (Bi, Sb, Mn, Co, etc.),
protegidos por una
envolvente de porcelana o de material de goma silicona. Durante
su
fabricacin se consigue la mezcla de polvo de los xidos
constituyentes
debidamente compactados y sintetizados, tal y como se puede
contemplar
en la siguiente figura.
Ilustracin 1. Pararrayos de Oxido metlico
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2 FUNCIONAMIENTO
En condiciones de funcionamiento continuo sin sobretensin, a
travs
del pararrayos circula una corriente de fuga de unos pocos mA.
En esta
regin la densidad de corriente en los discos es Inferior a 10-5
A/mm2, zona
de trabajo en que la caracterstica tensin-corriente es muy
sensible a la
temperatura. Para una misma tensin aplicada, la corriente
aumenta muy
significativamente al aumentar la temperatura. Es decir, que con
altas
temperaturas la energa disipada en el pararrayos aumenta
considerablemente pudindose llegar a su ruptura trmica.
Cuando aparece una sobretensin, el pararrayos cambia su punto
de
funcionamiento (regin 2). En esta regin la energa de la
sobretensin
transitoria se drena a tierra en forma de corriente provocando
una densidad
entre 10-5 Almm2 y 0,2 A/mm2, manteniendo la tensin en un
valor
prcticamente constante y por debajo del nivel de aislamiento del
equipo o
material que protege. La caracterstica de funcionamiento en esta
regin
viene definida por la siguiente expresin:
=
donde
I : corriente de descarga.
U : tensin residual.
gggg : es el coeficiente de no linealidad que vara entre 30 y
50. A
mayor valor de gggg mayor proteccin. En los antiguos pararrayos
de
carburo de silicio (SiC), y estaba comprendido entre 2 y 6.
: es un parmetro caracterstico del material, del proceso de
fabricacin y del diseo y es proporcional a la seccin y a la
longitud de los discos de xidos del pararrayos.
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Cuando la energa a drenar es muy elevada el punto de
funcionamiento
del pararrayos pasa a la regin 3. La regin 3 es una zona lineal
de densidad
de corriente superior a 0,2 A/mm2 pero inestable trmicamente que
puede
conducir a la destruccin del pararrayos.
Ilustracin 2. Caracterstica tensin-densidad de corriente de los
pararrayos
Los pararrayos suelen instalarse en zonas estratgicas de la
red
(prximos a transformadores, en las conversiones areo-subterrnea
y en la
llegada de lneas de subestacin para proteger a la aparamenta), a
fin de
evitar el fallo del aislamiento y consecuentemente mantener la
continuidad
de servicio.
Los pararrayos de resistencia variable normalmente se construyen
sin
explosores y su funcionamiento se caracteriza por los siguientes
parmetros:
Tensin de funcionamiento continuo Uc.
Tensin asignada Ur.
Corriente nominal de descarga In.
Capacidad de absorcin de energa (clase 1, 2, 3, 4 o 5).
Nivel de proteccin frente a impulsos tipo rayo Upt
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Nivel de proteccin frente a impulsos tipo maniobra Ups
Lnea de fuga.
Clase de limitador de presin.
Tensin de funcionamiento continuo Uc, es la tensin eficaz
mxima
soportada por un pararrayos de forma permanente que garantiza su
correcto
funcionamiento frente a la corriente de las descargas del rayo
que se puedan
producir. Se comprueba mediante ensayos segn la norma de
obligado
cumplimiento UNE-EN 60099-4.
Tensin asignada Ur, es la tensin eficaz mxima soportada por
un
pararrayos durante 10s despus de haber sido sometido a descargas
de
corriente segn los ensayos definidos en la norma de obligado
cumplimiento
UNE-EN 60099-4.
Los valores normalizados de tensin asignada se indican en la
Tabla 1,
en la que puede apreciarse el amplio abanico de escalones
discretos de
tensin.
Gamas de Tensin asignadas
(kV eficaces)
Escalones de Tensin asignada
(kV eficaces)
3 30 1
30 54 3
54 96 6
96 288 12
288 396 18
396 756 24
Tabla 1. Tensiones asignadas de pararrayos
En los catlogos de los fabricantes normalmente se facilita la
capacidad
de soportar sobretensiones temporales TOVc (Temporary
Overvoltages
Capability) que corresponde al valor eficaz de la mxima
sobretensin
temporal a frecuencia industrial que soporta el pararrayos
durante un
tiempo determinado. En general, los fabricantes de pararrayos
proporcionan
el valor de TOVc para 1 s y para 10 s. El valor de TOVc para 10
s suele ser
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algo superior al valor de la tensin asignada Ur, ya que se
define sin
necesidad de aplicacin previamente descargas de corriente.
Corriente nominal In, es el valor de cresta del impulso de
corriente
tipo rayo de forma de onda 8/20 (8 s de tiempo de frente y 20 s
de
tiempo hasta el valor mitad) utilizada para designar el
pararrayos. Los
valores normalizados de la corriente nominal de descarga son 1,5
kA, 2,5
kA, 5 kA, 10 kA y 20 kA.
En la Tabla 2 se presentan los valores normalizados en funcin de
la
tensin asignada Ur, del pararrayos. Los pararrayos tambin deben
ser
capaces de soportar impulsos de gran amplitud de forma de onda
4/10. La
norma UNE EN 60099-4, asocia para cada valor de corriente
nominal In, un
valor de impulso de corriente de gran amplitud que el pararrayos
debe
soportar. As, por ejemplo, los pararrayos de corriente nominal
de 10 kA
deben soportar 100 kA de onda 4/10 y los de 5 kA deben soportar
impulsos
de 65 kA de onda 4/10.
Capacidad de absorcin de energa. Se define para los
pararrayos
de corriente nominal de descarga de 10 kA y 20 kA. Existen cinco
clases de
descarga de lnea normalizadas: clases 1, 2 y 3 para los
pararrayos de 10 kA
de corriente nominal, y clases 4 y 5 para los pararrayos de In =
20 kA.
Para cada una de las clases se define una amplitud y duracin
del
impulso de corriente rectangular (corriente de larga duracin)
que debe ser
capaz de soportar el pararrayos: los de clase 1 son los que
soportan menor
duracin e intensidad, mientras que los de clase 5 son los que
pueden
soportar impulsos de corriente de larga duracin ms severos. El
fabricante
mediante ensayos en laboratorio, determina la energa capaz de
ser
absorbida por el pararrayos por unidad de tensin asignada,
kJ/kVr. Bastar
con multiplicar este factor por la tensin asignada del
pararrayos Ur para
determinar la energa mxima que es capaz de soportar.
Tensin residual Ures y niveles de proteccin. La tensin
residual,
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Ures, de un pararrayos es el valor de cresta de la tensin que
aparece entre
sus bornes durante el paso de una corriente de descarga. La
tensin residual
depende de la forma de onda y de la magnitud de la corriente de
descarga.
Las tensiones residuales se obtienen para diferentes amplitudes
de impulsos
de corriente tipo rayo 8/20 s (por ejemplo. 5 kA, 10 kA, 20 kA)
y cuando
se trata de pararrayos de intensidad nominal, In, de 10 kA y 20
kA tambin
para diferentes amplitudes de impulsos de corriente tipo
maniobra 30/60
s (0,5 kA, 1 kA, 2 kA).
Los niveles de proteccin del pararrayos se definen tanto
para
impulso tipo rayo como para impulsos tipo maniobra:
El nivel de proteccin a impulsos tipo rayo, Up, es el valor de
la
tensin residual del pararrayos para la corriente nominal de
descarga In,
de onda 8/20 s.
Nivel de proteccin a impulsos tipo maniobra, Ups, es el valor de
la
tensin residual del pararrayos para la corriente de impulso tipo
maniobra
30/60 para la corriente de descarga 0,5 kA, 1 kA o 2 kA. A falta
de un
dato ms preciso, el nivel de proteccin a impulsos tipo maniobra
Ups, se
puede tomar igual a 2 veces la tensin asignada Ur.
La norma UNE EN 60099-4 establece las diferentes clases
normalizadas, como curvas caractersticas que relacionan la
energa que
el pararrayos es capaz de absorber por unidad de tensin asignada
con el
cociente entre el nivel de proteccin frente a onda maniobra,
Usp, del
pararrayos y su tensin asignada Ur. Para el valor habitual de
Usp/Ur~2 la
energa por unidad de tensin asignada expresada en kJ/kVr
coincide con
la cifra que caracteriza la clase 1, 2, 3, 4 o 5, vase la Figura
siguiente.
Como excepcin para los pararrayos de clase 4 esta energa es 4,2
kJ/kVr
en lugar de 4 kJ/kVr.
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Ilustracin 3. Clase energtica de los pararrayos
Lnea de fuga. La lnea de fuga es la longitud medida a lo largo
del
permetro del aislamiento externo de un equipo y que caracteriza
su
resistencia frente a la contaminacin. La norma UNE EN 60507,
define
cuatro niveles de contaminacin: nivel I (ligero), nivel II
(medio), nivel III
(fuerte) y nivel IV (muy fuerte). Para cada nivel, la norma
establece el valor
mnimo de lnea de fuga especfica, expresado en mm/kVs de la
tensin
mxima de la red Us.
Clase delimitador de presin. Es el valor de la corriente de
cortocircuito interno que puede soportar el pararrayos sin
destruccin
violenta de su envolvente. Este valor debe ser igual o superior
a la mxima
corriente de cortocircuito prevista en el punto de instalacin
del pararrayos.
Resulta especialmente peligrosa la destruccin violenta de los
pararrayos
con envolvente de porcelana. La clase de limitador de presin,
expresada en
kA, se determina mediante un ensayo establecido segn la
norma.
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3 CRITERIOS DE DISEO
La seleccin de los pararrayos que protegen a las lneas de alta
tensin
se debe realizar siguiendo el siguiente procedimiento:
Paso 1: Seleccin de la tensin de servicio continuo
Los pararrayos deben ser capaces de soportar en permanencia
la
mxima tensin de servicio que pueda aparecer en la red:
Para redes con eliminacin automtica de los defectos a
tierra:
1,05 3 Para redes con neutro aislado o puesto a tierra por una
bobina de
compensacin sin eliminacin automtica de los defectos a
tierra:
1,05 Ntese que el factor de 1,05 se aplica para tener en cuenta
la presencia
de armnicos de tensin en la red.
Paso 2: Seleccin de la tensin asignada
La tensin asignada de un pararrayos debe elegirse en funcin de
las
sobretensiones temporales de la red previstas en su lugar de
instalacin,
teniendo en cuenta sus amplitudes y sus duraciones. Se
recomienda estudiar
tanto las debidas a faltas a tierra como las debidas a prdidas
de carga.
Cuando aparecen sobretensiones temporales las protecciones
convencionales (rels de sobreintensidad, de distancia,
diferencial, etc.),
deben ser capaces de despejarlas en un tiempo breve (normalmente
inferior
a 1 s). Los pararrayos son capaces de limitar sobretensiones
transitorias de
frente rpido o de frente lento, pero no as las temporales, que
deben ser
soportadas por los pararrayos hasta la actuacin de las
protecciones.
Para poder comparar las sobretensiones temporales de distinta
amplitud
y duracin que puede aparecer en la red a fin de valorar la
capacidad del
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pararrayos para soportarlas, la norma UNE establece la siguiente
expresin
emprica para determinar la amplitud de una sobre tensin
temporal
equivalente de 10 s de duracin.
= 10
donde:
U : amplitud de la sobretensin temporal representativa de
duracin T1
Ueq : amplitud de la sobretensin temporal representativa
equivalente
de 10 s de duracin.
md: coeficiente que caracteriza la curva sobretensin-duracin
del
pararrayos (segn el diseo del pararrayos vara entre 0,018 y
0,022).
La tensin asignada del pararrayos Ur, debe ser superior a la
sobretensin temporal equivalente ms elevada, obtenida aplicando
un
margen de seguridad entre el 5% y el 15% a fin de tener en
cuenta posibles
imprecisiones en el clculo.
Ntese que si el nivel de proteccin que se obtiene en el paso
5
resultase insuficiente es posible elegir un pararrayos de una
tensin
asignada, Ur, inferior al valor resultante mediante el criterio
anterior, a
condicin de que el pararrayos sea capaz de absorber la energa
producida
por las sobretensiones.
Paso 3: Seleccin de la corriente nominal In
La corriente nominal de descarga se elige en funcin de la
corriente tipo
rayo prevista. Para redes de Us72,5 kV, se suelen utilizar
pararrayos de 5
10 kA, siendo necesario emplear la corriente nominal mayor
cuando la
tensin nominal de la red es ms elevada o la probabilidad de
impacto de
rayos es alta (> 1 impacto /aokm2). Para redes de mayor
tensin nominal
se utilizan pararrayos de 10 o 20 kA aplicando los mismos
criterios.
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Paso 4: Capacidad de absorcin de energa
Los pararrayos de xidos metlicos deben ser capaces de absorber
la
energa, W, causada por las sobretensiones transitorias de la red
debidas a
la conexin y reenganche de las lneas de gran amplitud, la
descarga de un
banco de condensadores o de un cable, si se produce el recebado
en la
maniobra de los interruptores o la energa debida a impactos de
rayo en
conductores de lneas areas.
Aunque la forma ms apropiada para determinar la energa
absorbida
por un pararrayos es mediante estudios numricos mediante la
simulacin
del sistema y analizando la energa puesta en juego a travs del
pararrayos
para las diferentes solicitaciones, la norma UNE EN 60099-5,
establece tres
expresiones analticas simplificadas para estimar la energa de
cada una de
estas solicitaciones:
Energa debida a la conexin y reenganche de lneas de alta
tensin:
= 2 |!"| donde:
Ups: nivel de proteccin del pararrayos frente a onda
maniobra.
U1: amplitud de la sobretensin a tierra debida a la conexin
y
reenganche de la lnea evaluada.
Tw: tiempo de propagacin de la sobretensin a lo largo de
lnea,
calculada como cociente entre la longitud de lnea que recorre
la
sobretensin y la velocidad de propagacin de la onda por la
lnea.
|!"|: mdulo de la impedancia caracterstica de la lnea. Energa
debida a la maniobra de condensador o cable:
= 12 # $3"%& 2'&( donde:
C: capacidad del banco de condensadores o del cable.
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"% :cresta de la tensin de servicio entre fase y tierra. ' :
tensin asignada del pararrayos. Energa debida al impacto de una
rayo:
= )2 * +, , -1 + ln -*,112 ,'|!"333|
donde:
Upl : nivel de proteccin a impulsos tipo rayo del
pararrayos.
Uf : tensin de cebado en polaridad negativa del aislamiento de
la lnea.
|!"333|: mdulo de la impedancia caracterstica de la lnea. Nl =
nmero de lneas conectadas al pararrayos.
Tr = duracin equivalente de la corriente de un rayo que
comprende la
descarga principal y las descargas subsiguientes, habitualmente
se
toma 300 s.
Si la absorcin de energa requerida es mayor a la capacidad
de
absorcin de energa del pararrayos seleccionado se incrementar la
clase
del pararrayos, en caso de no existir clase energtica suficiente
para la
corriente nominal elegida, se elegir un pararrayos con un valor
superior de
corriente nominal In y en caso de no ser posible, la ltima opcin
sera
aumentar la tensin asignada del pararrayos Ur, a condicin de que
los
niveles de proteccin sean aceptables.
Paso 5. Niveles de proteccin, tensiones soportadas de
coordinacin y mrgenes de proteccin
El nivel de proteccin a impulsos tipo rayo, Upi, es el valor de
la tensin
residual, Ures, en bornes del pararrayos para la corriente
nominal de
descarga In. Sin embargo, la sobretensin mxima que puede llegar
al
objeto a proteger y que debe ser soportada por ste, Ucw (tensin
soportada
de coordinacin), puede ser muy superior debido al efecto de
ondas viajeras
y reflexiones por cambio de impedancia caracterstica en el punto
de
conexin de la lnea area con el equipo o material protegido
(cable aislado,
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transformador, etc.). Consecuentemente la tensin soportada
de
coordinacin, Ucw, depende de la distancia al pararrayos, o lo
que es lo
mismo, depende del tiempo que el rayo tarda en llegar desde el
pararrayos
al aislamiento que protege.
= , + 4+, 56 + 6* Donde:
Upl: nivel de proteccin a impulsos tipo rayo.
l: distancia de separacin hasta el pararrayos.
Nl: nmero de lneas.
Lsp: longitud del vano en cuyo extremo est conectado el
pararrayos.
Lf: tramo de longitud de lnea para que la tasa anual de
fallos
corresponda con la tasa marcada como aceptable Ra, calculada
segn
la frmula siguiente:
6* = 78+9 Donde:
Ra: tasa de fallo aceptable (fallos/ao)
Ncb: tasa anual total de cebados (fallos /ao.km).
A: parmetro que viene dado segn la naturaleza de la lnea.
Lneas de distribucin con crucetas puestas tierra 900 lneas con
apoyos de madera 2700
Lneas de transporte de un solo conductor 4500 de doble haz 7000
de cudruple haz 11000 de haz con seis u ocho conductores 17000
Partiendo de la tensin soportada de coordinacin obtenida Ucw,
el
aislamiento del material a proteger debe aguantar una tensin
soportada
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especificada mayor Urw, con el propsito de tener un cierto
margen de
proteccin. El margen mnimo de proteccin exigido por la norma es
1,15. A
nivel prctico la mayor parte de compaas exigen que el valor de
la tensin
soportada Uw por los aislamientos sea, al menos, 1,2 veces de la
tensin
soportada de coordinacin calculada.
' 1,15 1,2
Paso 6. Eleccin de la lnea de fuga
Debe seleccionarse el nivel de contaminacin ms apropiado segn
el
lugar de instalacin del pararrayos. La lnea de fuga mnima lt,
para un nivel
de contaminacin determinado se obtiene multiplicando la lnea de
fuga
especfica le, correspondiente al nivel de contaminacin
considerado por la
tensin ms elevada de la red Us:
5 = 5 La lnea de fuga del aislamiento externo del pararrayos
deber ser igual o
superior a la lnea de fuga determinada.
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4 CLCULOS PARA LA SELECCIN DE LA AUTOVALVULA
Ahora vamos a proceder a realizar los pasos anteriores para
elegir el
pararrayos ms indicado para este proyecto.
Paso 1.
1,05 3 = 1,05 1453 = 87,9?@ Paso 2.
= 10
ABCDEFGHGIJKLMNONPJQKPRKMSB5OBBOQNMMB = ? 3 = 1,4 1453 =
117,2?@JKLMNONPJQKPRKMRNMUQUBUNVBMWB = 1,2 3 = 1,2 1453 =
100,5?@
= 117,2 110X,X& = 111,9?@
Debe cumplir:
' 1,05 ' 117,52?@ Paso 3.
Al tratarse de una red de tensin donde 72,5?@ con alta densidad
de impactos de rayo (>1 impacto/ao km2), la corriente nominal
de
descarga q elegimos es de 10kA.
Y = 10?4 ' 117,52?@
Con estas condiciones elegimos un pararrayos donde ' = 120?@
Paso 4.
Energa debida a la conexin y reenganche de lneas de alta
tensin:
= 2 |!"| Donde:
= 2 ' = 2 120 = 240?@
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= 2,523 = 2,523145 = 296?@ = 5KPW[N5. KPUB = 3500300 =
11,7]J
|!"| = 230 = 2 |!"| = 2 240_296 240` 11,7230 = 1367a
Energa debida a la maniobra de condensador o cable:
= 12 # $3"%& 2'&( # = 0,29 3 = 0,87]b
"% = 23 = 23145 = 118,4?@ = 12 0,87 $_3 118,7`& 2 120&(
= 42,35?a
Energa debida al impacto de una rayo:
= )2 * +, , -1 + ln -*,112 ,'|!"333|
* = 650?@_MNcdQJQOKJUN5BUQJOMQLdQUKMB` , =
367?@_VBMBVONMQJOQVBUN5BBdOK[B5[d5BJNWdPVBOB5KWKeQK gMBJJ`
+, = 1 ' = 300]J
= h2 650 1 367 1 + ln 650367i 367 300230 = 225?a Elegiremos una
autovalvula del tipo PVI-LP o PVN las cuales absorben la
siguiente energa (adquirido del catlogo Ohio-Brass).
Tipo PVI-LP: 3,4 = 281?a Tipo PVN: 4,9 = 431?a Se elije la
primera opcin dado que se ajusta mas a las caractersticas
de los requisitos calculados.
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Paso 5.
= , + 4+, 56 + 6* = 367 +9001 5_260 + 125` = 385,7?@
6* = 78+9 = 0,00250,02 = 0,125?A = 125A Comprobacin:
1,2 = 650385,7 = 1,68 1,2 Paso 6.
5 = 5 = 25AA?@ 145 = 3625AA > 4724AA_VBMBVO. BdOK[B5[d5B` Por
consiguiente el pararrayos seleccionado, es el que cumple con
las
exigencias anteriores, siendo el pararrayos Ohio-Brass PVN
312903-3001,
con las siguientes caractersticas segn su ficha tcnica mostrada
a
continuacion.
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