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1.5.2.1 DEFINICION Y OPERACIN DE APARTARRAYOS Los sistemas de energa elctrica estn sujetos a sobrevoltajes internos y externos que pueden dar lugar a altos voltajes temporales. Los sobrevoltajes temporales ocurren en los sistemas de energa por una variedad de razones tales como fallas, operacin de interruptores y descargas atmosfricas (rayos). Sin comparacin, los sobrevoltajes ms severos son los que resultan de las descargas atmosfricas que inciden en el sistema de energa. Es posible que los sobrevoltajes puedan ser muy altos y den lugar a fallas del aislamiento del aparato de energa con resultados destructivos. Es por tanto imperativo que se diseen los sistemas de energa de tal manera que los sobrevoltajes esperados queden debajo de la capacidad de soporte del aislamiento del aparato de energa. Muchas veces, este requisito bsico se traduce en un costo excesivo. Por esta razn, se busca una solucin de compromiso en la que los sistemas de energa se diseen, de tal manera que se pueda hacer mnima la posibilidad de falla destructiva del aparato de energa debida a sobrevoltajes. Este procedimiento se basa en la coordinacin de los sobrevoltajes esperados con la capacidad de soporte del aparato de energa.

El apartarrayos se conecta entre lnea y tierra, consiste bsicamente 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.

El apartarrayos presenta el principal elemento para la coordinacin de aislamiento en las subestaciones elctricas estableciendo una correlacin entre sus caractersticas de proteccin y los niveles bsicos 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 atmosfrico. 2. sobretensiones por fallas en el sistema.

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

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

1. descargas directas sobre la instalacin 2. descargas indirectas

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

CARACTERISTICAS DE LOS APARTARRAYOS Tensin nominal de un sistema trifsico.- Es la tensin eficaz entre fases con que se designa el sistema y a la que estn referidas ciertas caractersticas de operacin del mismo.

Tensin mxima de diseo (Vm).- Es el valor mximo de tensin entre fases para el cual est diseado el equipo con relacin a su aislamiento as como por otras caractersticas que se refieren a esta tensin en las normas relativas al equipo.

Tensin nominal.- Es la tensin de designacin del apartarrayos.

Tensin residual (Vr) de un apartarrayos.- es la tensin que aparece entre la terminal de lnea 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 xido de zinc. Tensin de descarga a 60 Hz (V60) de un apartarrayos.- Es el valor eficaz de la menor tensin de baja frecuencia (60 Hz) que aplicada entre las terminales de lnea 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 xido de zinc.

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

Tensin resistente al impulso nominal por maniobra (o por rayo).- Es el valor cresta dado de una tensin 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 caractersticas de proteccin y nivel bsico de aislamiento del sistema, generalmente se expresa en kilo amperes KA.

CARACTERSTICAS DE APLICACIN DE LOS APARTARRAYOS.

Las caractersticas de los apartarrayos que se deben tomar en consideracin para su aplicacin, son principalmente las siguientes:

a) Tensin nominal (Vn).

A esta tensin tambin se le conoce como tensin de designacin del apartarrayos y su valor se puede obtener en forma simple de acuerdo con la expresin:

Vn = Ke Vmx.

Vn = Tensin Nominal del Apartarrayo en kVKe = Factor de conexin 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.Vmx = La tensin mxima de diseo en KV (de fase a fase) del sistema por proteger.

b) Localizacin.

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

En la misma forma que es importante seleccionar las caractersticas adecuadas de un apartarrayos para proporcionar una proteccin efectiva al equipo, se debe analizar cuidadosamente la localizacin de stos en la subestacin, ya que de no hacerlo se puede perder el criterio de coordinacin de aislamiento adoptado. En principio, se puede establecer que los apartarrayos se deben instalar tan cerca del equipo por proteger como sea posible, esta solucin puede resultar costosa en algunas subestaciones, ya que no siempre es posible ubicarlos como en las redes de distribucin, 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 elctricas de tensiones superiores, por razones tcnicaseconmicas se debe determinar cul es la zona de proteccin de un apartarrayos ya que como se sabe su proteccin es mxima en el lugar de la instalacin 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 caractersticas de proteccin y nivel bsico de aislamiento (NBI) del sistema, generalmente se expresa en kiloamperes.

La seleccin de los apartarrayos debera estar basada sobre las condiciones de sobretensiones mximas esperadas, de manera que el apartarrayos empleado debe ser capaz de soportar estas condiciones con un riesgo de falla mnimo en el mismo.En sistemas de extra alta tensin los apartarrayos se deben instalar tan cerca como sea posible de los equipos a proteger. Las caractersticas de proteccin del apartarrayos se usan con un margen de proteccin para determinar de esta forma los niveles bsicos de aislamiento por impulso y por maniobra de interruptores para el equipo protegido.

Para niveles de extra alta tensin y ultra alta tensin (ms de 400 KV) en el aislamiento autorecuperable, se determinan los niveles bsicos de aislamiento por maniobra de interruptores (NBS) suponiendo que no hay accin del apartarrayos.

TIPOS DE APARTARRAYOS

Se fabrican diferentes tipos de apartarrayos, basados en el principio general de operacin; por ejemplo: los ms empleados son los conocidos como "apartarrayos tipo autovalvular" y "apartarrayos de resistencia variable (de xido metlico)".

Apartarrayos tipo autovalvular

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

Apartarrayos de resistencia variable

El apartarrayos de resistencia variable funda su principio de operacin 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 aceptacin en el sistema de distribucin.

Explosor o gap

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

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 atmosfrico. Los tiempos de frente y de cola de los impulsos de maniobra son mucho mayores que lo de los atmosfricos, lo que implica que para tiempos cercanos a Tcr, la tensin vara mucho ms lentamente, esto es, valores de tensin cercanos al de cresta se mantienen sobre el aislamiento tiempo suficiente como para dar lugar a la formacin de la descarga disruptiva completa, si es que se ha excedido el lmite de la tensin critica correspondiente a la forma de onda utiliz