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1.5.2.1 DEFINICION Y OPERACIÓN DE APARTARRAYOS Los sistemas de energía eléctrica están sujetos a sobrevoltajes internos y externos que pueden dar lugar a altos voltajes temporales. Los sobrevoltajes temporales ocurren en los sistemas de energía por una variedad de razones tales como fallas, operación de interruptores y descargas atmosféricas (rayos). Sin comparación, los sobrevoltajes más severos son los que resultan de las descargas atmosféricas que inciden en el sistema de energía. Es posible que los sobrevoltajes puedan ser muy altos y den lugar a fallas del aislamiento del aparato de energía con resultados destructivos. Es por tanto imperativo que se diseñen los sistemas de energía de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la capacidad de soporte del aislamiento del aparato de energía. Muchas veces, este requisito básico se traduce en un costo excesivo. Por esta razón, se busca una solución de compromiso en la que los sistemas de energía se diseñen, de tal manera que se pueda hacer mínima la posibilidad de falla destructiva del aparato de energía debida a sobrevoltajes. Este procedimiento se basa en la coordinación de los sobrevoltajes esperados con la capacidad de soporte del aparato de energía.

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Page 1: Apartarrayos Inv

1.5.2.1 DEFINICION Y OPERACIÓN DE APARTARRAYOS

Los sistemas de energía eléctrica están sujetos a sobrevoltajes internos y externos que pueden dar lugar a altos voltajes temporales. Los sobrevoltajes temporales ocurren en los sistemas de energía por una variedad de razones tales como fallas, operación de interruptores y descargas atmosféricas (rayos). Sin comparación, los sobrevoltajes más severos son los que resultan de las descargas atmosféricas que inciden en el sistema de energía. Es posible que los sobrevoltajes puedan ser muy altos y den lugar a fallas del aislamiento del aparato de energía con resultados destructivos. Es por tanto imperativo que se diseñen los sistemas de energía de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la capacidad de soporte del aislamiento del aparato de energía. Muchas veces, este requisito básico se traduce en un costo excesivo. Por esta razón, se busca una solución de compromiso en la que los sistemas de energía se diseñen, de tal manera que se pueda hacer mínima la posibilidad de falla destructiva del aparato de energía debida a sobrevoltajes. Este procedimiento se basa en la coordinación de los sobrevoltajes esperados con la capacidad de soporte del aparato de energía.

El apartarrayos se conecta entre línea y tierra, consiste básicamente de elementos resistores en serie con gaps o explosores. Los elementos resistores ofrecen una resistencia no lineal, de manera tal que para voltajes a la frecuencia normal del sistema la resistencia es alta y para descargar corrientes la resistencia es baja.

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El apartarrayos presenta el principal elemento para la coordinación de aislamiento en las subestaciones eléctricas estableciendo una correlación entre sus características de protección y los niveles básicos de aislamiento de los equipos por proteger, con particular referencia a los aislamientos internos.

Las sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema pueden ser de dos tipos:

1. sobretensiones de tipo atmosférico. 2. sobretensiones por fallas en el sistema.

El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones contra sobretensiones de tipo atmosférico.

Las ondas que presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz y dañan al equipo si no se tiene protegido correctamente; para la protección del mismo se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

1. descargas directas sobre la instalación 2. descargas indirectas

De los casos anteriores el más interesante, por presentarse con mayor frecuencia, es el de las descargas indirectas.

CARACTERISTICAS DE LOS APARTARRAYOS

Tensión nominal de un sistema trifásico.- Es la tensión eficaz entre fases con que se designa el sistema y a la que están referidas ciertas características de operación del mismo.

Tensión máxima de diseño (Vm).- Es el valor máximo de tensión entre fases para el cual está diseñado el equipo con relación a su aislamiento así como por otras características que se refieren a esta tensión en las normas relativas al equipo.

Tensión nominal.- Es la tensión de designación del apartarrayos.

Tensión residual (Vr) de un apartarrayos.- es la tensión que aparece entre la terminal de línea y tierra de un apartarrayos durante el paso de la corriente de descarga con una onda de 8/20 ms. Este concepto no es aplicable a apartarrayos de óxido de zinc.

Tensión de descarga a 60 Hz (V60) de un apartarrayos.- Es el valor eficaz de la menor tensión de baja frecuencia (60 Hz) que aplicada entre las terminales

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de línea y tierra de un apartarrayos causa el arqueo de todos los explosores (“gaps”) que se encuentran en serie. Este concepto no es aplicable a los apartarrayos de óxido de zinc.

Tensión de descarga por impulso (Vp) de un apartarrayos.- Este es el valor más alto de tensión obtenida con un impulso de onda y polaridad dadas (1.2/50 ó 250/2500 ms para impulso por rayo o por maniobra respectivamente), aplicada entre las terminales de línea y tierra del apartarrayos.

Tensión resistente al impulso nominal por maniobra (o por rayo).- Es el valor cresta dado de una tensión resistente al impulso (o por rayo) que caracteriza a los aislamientos de un equipo con respecto a las pruebas resistentes.

Corriente de descarga del apartarrayos (Id).- Esta corriente se calcula a partir de las características de protección y nivel básico de aislamiento del sistema, generalmente se expresa en kilo amperes KA.

CARACTERÍSTICAS DE APLICACIÓN DE LOS APARTARRAYOS.

Las características de los apartarrayos que se deben tomar en consideración para su aplicación, son principalmente las siguientes:

a) Tensión nominal (Vn).

A esta tensión también se le conoce como tensión de designación del apartarrayos y su valor se puede obtener en forma simple de acuerdo con la expresión:

Vn = Ke Vmáx.

Vn = Tensión Nominal del Apartarrayo en kV

Ke = Factor de conexión a tierra cuyo depende de las relaciones:

R0/X1 y X0/X1

R0 = La resistencia de secuencia cero equivalente del sistema.X0 = La reactancia de secuencia cero del sistema.X1 = La reactancia de secuencia positiva del sistema.Vmáx = La tensión máxima de diseño en KV (de fase a fase) del sistema por

proteger.

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b) Localización.

Debe ser tal, que proporcione un margen de protección cuyo valor debe ser al menos, mayor de los mínimos recomendados (20% para impulso por rayo y 15% para impulso por maniobra).

En la misma forma que es importante seleccionar las características adecuadas de un apartarrayos para proporcionar una protección efectiva al equipo, se debe analizar cuidadosamente la localización de éstos en la subestación, ya que de no hacerlo se puede perder el criterio de coordinación de aislamiento adoptado. En principio, se puede establecer que los apartarrayos se deben instalar tan cerca del equipo por proteger como sea posible, esta solución puede resultar costosa en algunas subestaciones, ya que no siempre es posible ubicarlos como en las redes de distribución, en donde a los transformadores tipo poste se les protege instalando los apartarrayos en una cruceta muy cercana al transformador o directamente en el tanque como es el caso de los transformadores autoprotegidos.

En subestaciones eléctricas de tensiones superiores, por razones técnicas–económicas se debe determinar cuál es la zona de protección de un apartarrayos ya que como se sabe su protección es máxima en el lugar de la instalación y disminuye a medida que se aleja de ese punto, permitiendo que aparezcan tensiones superiores.

c) Corriente de descarga.

La corriente de descarga del apartarrayos se calcula a partir de las características de protección y nivel básico de aislamiento (NBI) del sistema, generalmente se expresa en kiloamperes.

La selección de los apartarrayos debería estar basada sobre las condiciones de sobretensiones máximas esperadas, de manera que el apartarrayos empleado debe ser capaz de soportar estas condiciones con un riesgo de falla mínimo en el mismo.

En sistemas de extra alta tensión los apartarrayos se deben instalar tan cerca como sea posible de los equipos a proteger. Las características de protección del apartarrayos se usan con un margen de protección para determinar de esta forma los niveles básicos de aislamiento por impulso y por maniobra de interruptores para el equipo protegido.

Para niveles de extra alta tensión y ultra alta tensión (más de 400 KV) en el aislamiento autorecuperable, se determinan los niveles básicos de aislamiento por maniobra de interruptores (NBS) suponiendo que no hay acción del apartarrayos.

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TIPOS DE APARTARRAYOS

Se fabrican diferentes tipos de apartarrayos, basados en el principio general de operación; por ejemplo: los más empleados son los conocidos como "apartarrayos tipo autovalvular" y "apartarrayos de resistencia variable (de óxido metálico)".

Apartarrayos tipo autovalvular

El apartarrayos tipo autovalvular consiste de varias chapas de explosores conectados en serie por medio de resistencias variable cuya función es dar una operación más sensible y precisa. Estos elementos están contenidos en porcelana y al conjunto, se le llena con un gas inerte como el NITRÓGENO. Se emplea en los sistemas que operan a grandes tensiones, ya que representa una gran seguridad de operación.

Apartarrayos de resistencia variable

El apartarrayos de resistencia variable funda su principio de operación en el principio general, es decir, con dos explosores, y se conecta en serie a una resistencia variable. Se emplea en tensiones medianas y tiene mucha aceptación en el sistema de distribución.

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Explosor o gap

El explosor o unidad de gap consiste de dos tiras o cintas separadas dentro de un contenedor de cerámica sellado que se puede llenar con nitrógeno. Normalmente se instala un contador de descargas entre la terminal de tierra del apartarrayos y la tierra de la instalación.

1.5.2.1 NIVEL BASICO AL IMPULSO MANIOBRA

Valor cresta de un pulso que tiene un tiempo virtual de frente entre los 30 milisegundos y 100 milisegundos y el tiempo virtual del valor medio en la cola sea de aproximadamente el doble del tiempo virtual de frente.

Para tensiones de impulso del tipo de maniobra el comportamiento de un aislante auto regenerativo, especialmente de espacios en aire, es muy diferente al que se acaba de analizar para los impulsos del tipo atmosférico. Los tiempos de frente y de cola de los impulsos de maniobra son mucho mayores que lo de los atmosféricos, lo que implica que para tiempos cercanos a Tcr, la tensión varía mucho más lentamente, esto es, valores de tensión cercanos al de cresta se mantienen sobre el aislamiento tiempo suficiente como para dar lugar a la formación de la descarga disruptiva completa, si es que se ha excedido el límite

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de la tensión critica correspondiente a la forma de onda utilizada. En consecuencia, aun para tensiones de cresta que son levemente superior a la tensión crítica, la ruptura dieléctrica se produce casi siempre sobre la cresta de la onda o sobre su frente, pero en la mayoría de los casos prácticos próxima a la cresta. Por otra parte, se puede comprobar que la tensión de cresta critica Û0 la varia con la forma de onda de impulso aplicada, en particular en función del tiempo a la cresta Tcr.

Se ve entonces que el comportamiento de una aislamiento a solicitaciones del tipo de los impulsos de maniobra, se podrá caracterizar a los fines prácticos por medio de una curva “tensión disruptiva critica – tiempo a la cresta” (Û0 vs Tcr), como muestra la figura 7. Una característica Û0 vs Tcr es una simplificación ya que no se ha tenido en cuenta el carácter aleatorio implícito en el proceso de la ruptura dieléctrica.

Una particularidad de los aislamientos auto regenerativos frente a los impulsos del tipo de maniobra es que su característica tensión-tiempo suele presentar un mínimo tal como se observa en la figura 7.

1.5.2.2 NIVEL BASICO AL IMPULSO DE DESCARGA

Impulso con forma de onda de 8/20 milisegundos con tolerancias en los valores medidos de la onda entre 7 y 9 milisegundos para el tiempo virtual de frente y entre 18 y 22 milisegundos para el tiempo al valor medio de la cola

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1.5.2.3 DISTANCIA DE NO FLAMEO

Es la distancia más corta medida a través del medio circundante entre las partes conductoras. En caso de existir partes metálicas conductoras intermedias, la distancia de fuga en seco es la suma de las distancias parciales medidas según se indica en la definición de distancia de fuga.

Las pruebas más comúnmente realizadas a aisladores pueden agruparse en tres categorías: pruebas prototipo, pruebas de flameo y pruebas de rutina.

Las pruebas prototipo por lo general se hacen para probar la calidad del producto de los fabricantes, las pruebas de flameo normalmente se hacen para hacer correcciones al diseño y las pruebas de rutina se hacen a todos los aisladores cuyos prototipos han sido aceptados.

FLAMEO

En condiciones de humedad, la circulación de la corriente de fuga genera la disipación de energía por efecto joule (I2*R) ocasionando la evaporación de la humedad contenida en la capa contaminante.

El incremento de esta corriente en las regiones conductivas, permite la falla por flameo, debido a que se reduce la resistencia superficial y se incrementa la corriente de fuga, logrando que las descargas lleguen a encadenarse y se presente la falla a tierra causando la salida de operación de la línea.

La energía liberada durante el arco de potencia puede ser de tal magnitud, que ocasione la falla del aislador ya sea por ruptura mecánica (caída del aislador), o por daño parcial, en caso de no llegar a la ruptura mecánica o algún daño parcial después del arco de potencia, el aislador seguirá trabajando hasta que nuevamente la actividad de las bandas secas ocasione otro arco de potencia.

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ETAPAS DE FLAMEO EN AISLADORES

1.5.2.4 COORDINACION DE AISLAMIENTO

La coordinación de aislamiento se define según la norma IEC 71-1, como la selección de la rigidez dieléctrica (nivel de aislamiento normalizado) del aislamiento del equipamiento eléctrico con relación a las tensiones que pueden aparecer en el sistema donde serán instalados, tomando en cuenta las características del medio ambiente y de los dispositivos de protección disponibles.

El procedimiento para la coordinación de aislamiento consiste en la selección de un grupo de voltajes normalizados que caracterizan el aislamiento de los equipos. Para lograr esto se debe cumplir con los siguientes pasos:

1. Determinar las sobretensiones representativas (Urp)2. Determinar las tensiones soportadas de coordinación (Ucw)3. Determinar las tensiones soportadas requeridas (Urw)4. Determinar el nivel de aislamiento normalizado (Uw)5. Calcular las distancias mínimas en aire

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Determinar las sobretensiones representativas (Urp)

Son las que se suponen realizan el mismo efecto dieléctrico sobre el aislamiento de una clase dada, que aquellas que ocurran en las condiciones de servicio.Estas consisten en tensiones con formas de onda normalizadas y pueden ser definidas por un valor, un conjunto de valores ó una distribución de frecuencia de valores que caracterizan las condiciones de servicio. Se incluye también la tensión de operación a frecuencia de potencia representando el esfuerzo de la tensión de servicio en el aislamiento.

Las sobretensiones representativas dependen de la red y del tipo de línea. En su estudio se deben analizar los siguientes aspectos:• Causa de las sobretensiones y clasificación de las mismas• Niveles de protección para cada una de ellas (dispositivos y esquemas de

protección)• Tipo de aislamiento

Determinar las tensiones soportadas de coordinación (Ucw)

La tensión soportada de coordinación es, para cada clase de tensión, el valor de la tensión soportada del aislamiento en las condiciones de servicio, que cumple el criterio de comportamiento.Para hallar las tensiones soportadas de coordinación las sobretensiones representativas se multiplican por el factor de coordinación (kc). El factor de coordinación depende de si las sobretensiones se determinan empírica ó estadísticamente. Por tanto, tres aspectos deben analizarse aquí: • Característica del aislamiento• Criterio de comportamiento• Factor de coordinación (kc)

Determinar las tensiones soportadas requeridas (Urw)

La tensión soportada requerida es el valor de tensión que el aislamiento debe soportar en la prueba de tensión soportada para asegurar que el aislamiento cumpla el criterio de comportamiento cuando se somete a las sobretensiones que ocurren en las condiciones de servicio durante su periodo de vida útil.La tensión soportada requerida tiene la forma de la tensión soportada de coordinación con la inclusión del factor de seguridad (ks).El factor de seguridad tiene en cuenta las diferencias entre las condiciones de servicio y las normalizadas en la prueba de tensión soportada debido a las imperfecciones en el montaje, diferencias en la calidad del producto, envejecimiento de la línea, etc.

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De forma genérica el factor de seguridad se toma como ks = 1.15 para aislamientos internos y como ks = 1.05 para aislamientos externos. En subestaciones aisladas en gas (GIS) de tensiones elevadas el valor de ks puede ser mayor y es conveniente realizar ensayos.En el caso de aislamientos externos deben realizarse las correcciones por condiciones atmosféricas. Puede suponerse que los efectos de la temperatura ambiente y la humedad tienden a cancelarse y tener en cuenta sólo la corrección por la altura (ka). De acuerdo a lo anterior dos aspectos deben analizarse:• Factor de seguridad (ks)• Factor de corrección atmosférico (ka)

Determinar el nivel de aislamiento normalizado (Uw)

La selección del nivel de aislamiento nominal consiste en seleccionar el grupo de voltajes normalizados (Uw) del aislamiento suficiente para probar que todas las tensiones soportadas requeridas se cumplen.

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Calcular las distancias mínimas en aire

La norma IEC 71-2 permite elegir distancias adecuadas de aislamiento en aire, pero debe tenerse en cuenta que si los aparatos o subconjuntos son ensayados específicamente, estas distancias pudieran reducirse si el campo eléctrico se distribuye mejor.

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BIBLIOGRAFIA

http://apartarrayos6im6.blogspot.mx/

PRINCIPIOS PARA LA COORDINACIÓN DE LOS NIVELES DE AISLACIÓN DEAPARATOS E INSTALACIONES EN REDES ELÉCTRICAS DE A.T

DISEÑO DEL AISLAMIENTO DE LINEAS DE TRANSMISION TESINA UV

SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA; EQUIPO ELECTRICO

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA; UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA

CURSO DE SOBRETENSIONES Y COORDINACION DE AISLAMIENTO; GRUPO ABBSELECCIÓN Y APLICACIÓN DE APARTARRAYOS COLEGIO IME FACULTAD DE INGENIERÍA BUAP