apartarrayos en se alta tension

7/29/2019 Apartarrayos en SE Alta Tension

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APARTARRAYOS


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1.INTRODUCCION

2.DEFINICION

3.TIPOS DE APARTARRAYOS

4.CONSTRUCCION

5.ACCESORIOS


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1.INTRODUCCION

En los Sistemas Elctricos de Potencia, las sobretensiones en

la red pueden nombrarse en tres grandes grupos:

Sobrevoltajes por descargas atmosfricas.

Sobrevoltajes por maniobras

Sobrevoltajes temporales.


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Sobrevoltajes por descargas atmosfricas:

Voltaje transitorio causado directamente por un rayo sobre

una lnea area, un hilo de guarda o bien una torre detransmisin, aunque tambin puede presentarse por

induccin de lneas adyacentes o estructuras metlicas.

Entre el 80 y 90 % de estos fenmenos tienen polaridad

negativa y los valores de corrientes oscilan entre los 30 y

50 kA con mediciones mximas de 300 kA. La duracin

normal va desde los 10s100s.

El nivel de sobrevoltaje que puede presentarse dependede la amplitud de la corriente de impulso al rayo y de la

impedancia de onda de la lnea y puede alcanzar algunos

millones de Volts.


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Sobrevoltajes por maniobras

Se presentan como resultado de fenmenos transitorios

causados por: fallas a tierra, maniobras en lneas capacitivas

o inductivas, rechazos de carga, ferroresonancia, etc.

Su duracin va desde los 30s3000s. La frecuenciaest dentro del rango de los 100 Hz hasta los 10kHz. El valor

va comprende 2 p.u. o 3 p.u. (1 p.u. = 2Us / 3)dependiendo del nivel de voltaje del sistema, segn IEC

60071-1 estos sobrevoltajes pertenecen a la clase de Show-front overvoltages.


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Sobrevoltajes temporales.

Sobrevoltajes en frecuencia del sistema cuya duracin vadesde centsimas de segundo hasta algunos pocos

segundos como resultado de operaciones por maniobra o

fallas en el sistema.

Su valor depende del modo de aterrizamiento del neutro de

la red. Un caso especial se presenta en sistemas resonantes

aterrizados y sistemas con neutro aislado, donde el voltaje de

fase-tierra de las lneas sanas asumen el valor de voltaje de

fase-fase.

Esta condicin de operacin puede durar mucho tiempo

(hasta algunas horas).


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Ahora bien, tras estas breves definiciones, nos damos

cuenta que existen fenmenos que influyen directamente en

la Coordinacin deAislamiento, que nos lleva a una nueva

y corta explicacin:

Coordinacin de Aislamiento

Comprende la seleccin del grado y fortaleza de los

aislamientos de equipos en relacin a los voltajes que

puedan ocurrir en el sistema para el cual stos fueron

diseados, tomando en cuenta el ambiente de servicio y LAS

CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS DISPONIBLES DEPROTECCION CONTRA SOBREVOLTAJES.


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2. DEFINICION

Como podemos darnos cuenta, segn el ltimo prrafo del

captulo anterior, existen dispositivos de proteccin contra

sobrevoltajes, estos se denominan entre otros - Surge

Arrester cuya traduccin tcnica nos lleva a Derivador deSobretensiones, aunque es bien conocido en el medio comoApartarrayos.

Para valorar su importancia como equipos de proteccin,

basta analizar la grfica siguiente:


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5

4

3

2

1

0 Sobrevoltajespor Rayos

(microsegundos)

Sobrevoltajes por

Maniobras

(milisegundos)

Sobrevoltajes

Temporales

(segundos)

Voltaje Nominal

del Sistema

(continuo)

Duracin del Sobrevoltaje

Magnitudd

eSobrevoltaje/p.u.

Sobrevoltaje admisible en equipos

Voltaje limitado por apartarrayos

Sobrevoltaje Posible sin apartarrayos


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El rango de sobrevoltajes por maniobras y especialmente

los sobrevoltajes por rayo producen esfuerzos dielctricos

que los aislamientos de equipos asociados no podran

resistir, es aqu donde los Apartarrayos entran en accin,porque en operacin normal, el voltaje que se presenta en

las terminales de los equipos mientras se mantenga unadecuado margen de seguridad se establece por debajodel sobrevoltaje admisible. En conclusin, los Apartarrayos

se designan para sobrevoltajes por maniobra y por rayo.

3. TIPOS DE APARTARRAYOS.

Apartarrayos autovalvulares (no descritos en el presente)

Apartarrayos de xidos metlicos (objetos de estapresentacin)


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Aunque los Apartarrayos del primer tipo an permanecen

en uso, en la actualidad han sido desplazados por

aquellos fabricados a partir de xidos metlicos (en ingls

MO) en sistemas de alta y extra alta tensin, esto debidoprincipalmente a su extraordinaria caracterstica no lineal

tensin-corriente (tambin designada como caracterstica

U-I).

Esto significa bsicamente que para los niveles de voltajenominal del sistema de potencia, las corrientes a travs

del Apartarrayos son tan pequeas, que casi se comporta

como un aislador.

Ahora bien, si corrientes dentro del rango de kilo amperesson aplicadas al Apartarrayo, como en el caso de

sobrevoltajes por rayo o maniobra, entonces el voltaje

entre sus terminales permanecer bajo a fin de proteger el

aislamiento de los equipos asociados cercanos.


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Para fines ilustrativos nicamente, en la siguiente figura se muestra una

caracterstica tpica de un Apartarrayos de xidos metlicos conectado entre

fase-tierra para un sistema de 420 kV slidamente aterrizado, donde en el eje

de las ordenadas se representan de manera lineal los valores cresta de voltaje,

mientras que en el eje de las abcisas se dan en escala logartmica los valores

de corriente, as que la caracterstica se extiende desde un rango de 50 microamperes hasta 50 kilo amperes.


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Partiendo de izquierda a derecha de la grfica se

encuentran algunos conceptos que brevemente se

explican:

Leakage current: es la corriente que fluye de maneracontinua a travs del Apartarrayos en operacin nominal

para el nivel de tensin de diseo. Formada bsicamente

por una componente altamente capacitiva dependiente del

tipo de xidos metlicos usados (MO en ingls) y por unapequesima componente resistiva. Sus valores nominales

oscilan entre 0.5 mA y 2 mA.

Continuos operating voltaje: Es el valor rms de voltaje

permitido para ser aplicado en forma continua entre lasterminales del Apartarrayos, cuyo smbolo es de acuerdo a

las normas IEC representado por Uc.


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Rated voltage: Es el valor rms mximo permitido de

voltaje entre las terminales del Apartarrayos y que estdiseado para operar correctamente para condiciones de

sobrevoltajes temporales.

Su smbolo bajo IEC es Ur.

Nominal discharge current: Es el valor cresta de unacorriente de impulso por descarga, segn IEC, para

sistemas de alta y extra alta tensin clasifica en cinco

grupos este valor: 1.5 kA, 2.5 kA, 5 kA, 10 kA y 20 kA. Para

sistemas de distribucin, el criterio es otro, adems,

ciertamente el valor nominal no describe totalmente este

valor, otros parmetros debern tomarse en cuenta.


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4. CONSTRUCCION DE APARTARRAYOS DE

OXIDOS METALICOS.

En la figura siguiente se muestra un corte transversal de

un apartarrayo tpico en aislador de porcelana utilizado en

sistemas de alto voltaje.

Para dar una idea generalizada de la composicin de losxidos metlicos podemos mencionar que la mayora

estn compuestas de 90% de xido de zinc (ZnO) de aqu

que sean llamados Apartarrayos de Oxido de Zinc. Elotro 10% est compuesto por al menos 10 diferentes

aditivos en forma de xidos de elementosllamadostierras raras (Bi, Sb, Co, Mn), los cualesfinalmente constituyen desde unas pequeas ppm hasta

un mnimo porcentaje del total de la masa.


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La columna de resistencias de oxidosmetlicos (En inglsMetalic Oxides MO) en conjunto con la parte de soporte

constituye la parte activa real del Apartarrayos.

La columna se forma a partir de piezas individuales de

estos MO puestos uno sobre el otro.

Los MO son casi invariablemente fabricados de formacilndrica, y su dimetro determina decisivamente sucapacidad de absorcin de energa y de corriente.

Para casos de distribucin, el dimetro es de 30 mm y

puede llegar hasta 100 mm o ms para aplicaciones en altay extra alta tensin donde las necesidades de absorcin y

conduccin son mayores.

A continuacin una ilustracin de los xidos metlicos.


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Algunas formas de Oxidos Metlicos


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Los MO varan en espesor entre los 20 y 45 mm. El voltaje

residual por mm de espesor para una corriente de impulso

al rayo de 10 kA (peak value) est en el rango de 450

V/mm para un apartarrayos tpico en redes de distribucin(32 mm de dimetro).

Para sistemas de alta tensin, podemos hablar de 280

V/mm (70 mm de dimetro). Si consideramos ahora 45 mm

de espesor, este MO tiene un voltaje residual de 12.5 kV,si deseamos obtener una columna diseada para soportar

niveles de 823 kV, ser necesario apilar una columna de

66 resistores MO con una altura aproximada de 3 metros,

obviamente el diseo y fabricacin de una columna de estaaltura en una sola pieza es sumamente difcil, por ello es

que para tales tensiones, generalmente los Apartarrayos

estn compuestos por mas de una columna conectada en

serie.


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La longitud de la columna de resistores es ajustada a la

longitud de la columna aislante que los contiene por

medio de espaciadores metlicos, (metallic spacers) que

en principio son tubos de aluminio con tapas finales a finde obtener una distribucin uniforme en la presin de

contacto; en otros casos, sin embargo, se utilizan cuerpos

slidos cilndricos de aluminio que a su vez sirven como

disipadores de calor e incrementan as la capacidad de

absorcin y disipacin de energa de los Apartarrayos.

Las columnas de resistores as dispuestas deben asirse

mecnicamente al cubculo que los contiene, para ello se

disponen de barras (supporting rods FRP) que por un lado

mantienen la posicin de los resistores durante el

transporte o bien cuando el Apartarrayos es colocado en

posicin diferente a la vertical, adems de proporcional

cierta presin axial de contacto, de manera que los

esfuerzos comunes pueden ser fcilmente manejados.


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Estas barras, de entre muchas variantes son diseadas y

fabricadas en fibra de vidrio reforzadas en plstico y stas

envuelven a la columna de resistores MO como si fuerauna jaula.

Adicionalmente, se disponen de unas placas de soporte

(holding plate FRP) tambin del mismo material dispuestos a intervalos que por una parte limitan la torsinde las barras de soporte y adems dan rigidez a toda la

columna contra efectos de flexin.

Finalmente, un resorte bastante robusto colocado en la

parte superior y al final de la columna, (compression ring)

comprime a la parte activa dentro del alojamiento. (En

algunos casos, ser necesario disponer de dos o mas

resortes para tal funcin).


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Las exigencias en cuanto a las propiedades elctricas y

mecnicas que deben considerarse en el diseo e

implementacin en las bases de alojamiento (porcelain

housing) comprenden el hecho de que bajo todas las

condiciones de operacin debe mantenerse libre de

descargas parciales, adems, por el aspecto mecnico

aparte de la solidez, la resistencia a altas temperaturas y

el desgaste se debe tener elementos retardantes al fuegoy autoextinguibles.

Para sistemas de Alto Voltaje, an hoy en da la porcelana

sigue vigente para alojar los elementos activos de los

Apartarrayos, combinada en los extremos inferior einferior con partes de aluminio (aluminum flange) sujetas a

sta con ayuda de ciertos cementos (cement joint) . Laventaja de utilizar aluminio de uso intemperie, permite

evitar la aplicacin de pinturas o recubrimientos a los

mismos.


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Para cumplir los requerimientos mnimos de cumplimiento

sobre la calidad de las porcelanas se pueden referir la

norma IEC 60672.3, y por lo general, para la fabricacinde aisladores para Apartarrayos, solo dos tipos son

utilizados:

Porcelana de Quarzo: Subgrupo C110 : Porcelanas a

base de slices (IEC 60672-3).

Porcelana de Almina: Subgrupo C120: En relacin a la

anterior, presenta el doble de resistencia mecnica. (IEC

60672-3).

En general, el color de la porcelana es poco relevante,

generalmente el color caf (RAL 8016) es el mas usado,

aunque en ciertas partes de Amrica, se pide un color gris.


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Adems de contener las partes

activas del Apartarrayos, otra funcin

de las columnas aislantes de

porcelana es proveer de una

distancia de fuga adecuada entre la

parte viva y tierra, para ello se

emplean formas de campanasdiscontinuas que aseguran una

adecuada interrupcin de camino a

tierra.Para su diseo se siguen las

directrices indicadas en normas IEC

60815.

La diferencia mas grande es las dos

formas mas empleadas: la campana

de tamao uniforme y la de formadiscontinua (una grande y una

pequea). En realidad no existen

parmetros que permitan

recomendar uno u otro tipo.


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Para concluir con la descripcin, debemos mencionar el tipo de

sellado en el Apartarrayos, (sealing ring) que se convierte en punto

crtico durante la operacin del mismo. Distinguimos tres tareas

que deben ser cumplidas por el sellado:

Prevenir la entrada de humedad, lo que determina en mucho la

vida til del Apartarrayos.

Actuar como un dispositivo de rpido alivio de presin en el

eventual caso de una sobrecarga en el Apartarrayos, evitando la

explosin incluso.

Servir como un conductor adecuado de corriente entre la parte

externa del Apartarrayos y la parte activa interna.

En la ltima figura se muestra un sistema de sellado, que se

compone principalmente de un anillo de sello y un diafragma de

alivio de presin, (pressure relief diaphragm). Este sello se halla dos

veces, uno en cada extremo del cuerpo de porcelana del aislador.


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La parte importante es el diafragma de alivio de presinconstituido bsicamente de una placa de pocas centsimas de

grosor de un material de acero o nquel de alta pureza, para

comentar, esta dimensin plantea un reto en trminos de calidad

de manera que se asegure durabilidad contra la corrosin en

forma similar al resto de los elementos del Apartarrayos.


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El diafragma se presiona contra el anillo de sellado

mediante unas grapas metlicas que se atornillan en el

cuerpo metlico de aluminio, considerando los materiales

compatibles a ser usados de manera que las reaccioneselectroqumicas no reduzcan la vida til del conjunto.

La ventaja de utilizar el diafragma es el extraordinario

tiempo tan corto de operacin en caso de una sobrecarga

en el Apartarrayos, que mencin aparte, es una situacinextremadamente lejana aunque no imposible de ocurrir.

En tal caso, gases se generan internamente,

afortunadamente, estos se desfogan a travs de las

salidas previstas para ello (venting outlet). Aunque pueden

ocurrir daos en la porcelana debido a las altas

temperaturas de los gases, los daos generalmente no

afectan mas all.


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5. ACCESORIOS


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Un elemento importante externo

al apartarrayo es el llamado

Anillo Equipotencialsuministrado para instalaciones

en sistemas de Alta Tensin ysobre todo en Apartarrayos

compuestos por dos o mas

unidades independientes.

Estos sirven para el control de la

distribucin de voltajes de la

parte superior a la parte inferior

del Apartarrayos, que se ve

afectado negativamente por las

capacitancias a tierra. Sin estas

contra medidas, la parte activa(MO) en el extremo superior, se

vern sometidas a esfuerzos

mucho mayores que las de la

parte inferior.


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Por ltimo,

mencionaremos un

elemento auxiliar

instalado entre laconexin inferior del

Apartarrayos y tierra: El

contador de descargas.

Este dispositivo requiere

una conexin aisladaentre el Apartarrayos y

tierra y cuenta con un

dispositivo

electromecnico o

electrnico que registrael nmero de

operaciones del

apartarrayo y lo muestra

en un contador.

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