capitulo viii (sobretensiones externas)
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Captulo VIII
Sobretensiones externas
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8.1.- INTRODUCCIN.
En los sistemas elctricos se pueden presentar dos tipos de sobretensiones: las de origen interno y
las de origen externo. Las sobretensiones de origen interno son producto de fallas y operaciones
en el sistema, y su magnitud depende de la cantidad de energa almacenada en el campo elctrico
y magntico de la lnea.
Las sobretensiones de origen externo son producidas por los rayos los cuales al incidir,
directamente o por induccin, en una lnea dan lugar a una onda viajera que se transmite a lo
largo de la misma y si su magnitud es superior al nivel bsico de aislamiento ante impulsos tipo
rayo, NBAI (BIL, de sus siglas en ingls Basic Ligthning Impulse Insulation Lebel), se producirn
fallas en el aislamiento con la consiguiente interrupcin en el servicio.
Los rayos producen las sobretensiones ms peligrosas en cuanto a su magnitud en los sistemas
elctricos de hasta 275 kV, siendo por lo tanto ellas, junto a la contaminacin ambiental, las que
definen el nivel de aislamiento de dichos sistemas; para tensiones superiores tambin es necesario
considerarlos, tanto por la magnitud de la sobretensin como por la razn de crecimiento de la
tensin y su efecto sobre los diferentes equipos y componentes instalados en los sistemas
elctricos, principalmente sobre los enrollados de los transformadores.
Desde el punto de vista de la coordinacin de aislamiento las sobretensiones producidas por los
rayos se consideran dentro del grupo de las de frente rpido, es decir dentro del grupo de las
sobretensiones que alcanzan su mximo valor para tiempos entre 0,1 y 20 s y que decaen al 50
% de su valor mximo en tiempos menores de 300 s. En la simulacin de estas sobretensiones se
emplea la onda de 1,2/50 s normalizada por la IEC.
8.2.- CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS RAYOS.
8.2.1.- INTRODUCCIN.
La tierra junto con la atmsfera puede ser considerada como un potente capacitor elctrico cuyas
armaduras son la corteza de la tierra con carga negativa y la ionosfera con carga positiva, de
manera que la tierra se halla rodeada de un campo elctrico cuya intensidad en la superficie
terrestre se estima en unos 130 V/m y sobre los mares y ocanos en unos 110 V/m. Este campo se
le conoce como campo de buen tiempo. El campo de buen tiempo no provoca peligro para los
organismos vivos y las instalaciones elctricas pero juega un rol significativo en la formacin de
cargas elctricas en exceso en las nubes de tormenta.
La carga elctrica de la atmsfera se origina por la ionizacin de las molculas del aire debido a la
accin directa sobre ellas de las radiaciones de la tierra (radiactividad natural), el sol y los rayos
csmicos. El balance de esta carga elctrica tiene signo positivo. Sobre la carga elctrica de la
corteza de la tierra, de una densidad de carga negativa ,cme30000 2s no existe una teora
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nica para su explicacin, ya que unos la atribuyen a la induccin, otros a la alta temperatura del
centro de la tierra, a las tormentas elctricas, etc.
8.2.2.- FORMACION Y DESARROLLO DE LOS RAYOS.
Los iones de la atmsfera atrapados por las partculas de las nubes, o formados directamente en
ellos se mueven con sta y al producirse grandes acumulaciones de nubes, debido a diferentes
fenmenos, se produce una separacin de cargas en su interior, que dan lugar a los centros de
carga a partir de los cuales se han de desarrollar los rayos.
Uno de los fenmenos que provoca la separacin de las cargas elctricas en el interior de una
nubes el debido a la electrizacin de las gotas de agua por la accin del campo elctrico que rodea
a la tierra y que polariza las gotas de agua que van cayendo tal como se indica en al Fig. 8.2.1.
Esta polarizacin hace que la gota de agua al caer atraiga a los iones negativos y repela a los
positivos, con lo cual la gota se va cargando negativamente segn avanza en su cada, en tanto
que en las restante partculas de la nube predominen las cargas positivas. Este proceso de
distribucin de cargas da lugar a que la parte superior de la nube sea positiva y la inferior
negativa.
+ + + + + +
+ + + + +
Fig. 8.2.1.- Separacin de cargas en el interior de una gota de
agua que cae debido al efecto del campo elctrico.
Otra de las causas que se plantean como responsables de la separacin de las cargas en el interior
de la nube es a la electrizacin de las gotas de agua producto de su fragmentacin. La
fragmentacin de las gotas de agua se debe a la accin de las corrientes de aire ascendentes que
existen en la cabeza de la nube, tal como se indica en al Fig. 8.2.2. Para una velocidad de la
corriente de aire ascendente igual o superior a los 8 m/s ninguna gota de agua de dimetro
superior a 0,25 cm podr caer a travs de ella, ya que para gota de ese tamao o superior la
velocidad lmite es de 8 m/s, pues debido a la accin del viento ser aplanada hasta su
desintegracin, proceso mediante el cual, como se ha podido comprobar experimentalmente las
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gotas pequeas adquieren cargas positivas y el resto de las partculas adquieren cargas negativas.
Este proceso de desintegracin se ve ayudado por el hecho de que una gota de agua al caer en un
campo elctrico es elongada, llegndose hasta su desintegracin para campos de alta intensidad,
del orden de los 10000 V/cm.
Las gotas pequeas, producto de la desintegracin descrita, son arrastradas por la corriente de aire
ascendente, pero como al ascender su velocidad disminuye, las pequeas gotas se recombinan
formndose gotas grandes cargadas positivamente, las que al caer repiten el mismo proceso
intensificndose la separacin de cargas. El fenmeno antes descrito da lugar a la distribucin de
cargas mostrado en las zonas A y B de la Fig. 8.2.2. Para la zona C se plantea que, como en ella
la temperatura est por debajo de la temperatura de congelacin del agua, en ella slo pueden
existir cristales de hielo, los que debido al roce con el aire se cargan negativamente mientras que
las partculas restantes se cargan positivamente. Como se puede apreciar este proceso da lugar a
que la parte superior de la nube se cargue positivamente y al mismo se le denomina comnmente
electrizacin de la nube debido al gradiente de temperatura en su interior.
A
B
C
Fig. 8.2.2.- Separacin de cargas en el interior de una nube debido a la
desintegracin de las gotas de agua producto de la accin
del viento.
Las mediciones efectuadas usando globos y aviones corrobora que la distribucin de cargas es
similar a la mostrada en la Fig. 8.2.2, pero que los bolsones de carga positiva en la base de la
nube no slo se presentan en la parte frontal de la misma sino en algunas otras regiones.
El fenmeno de separacin de las cargas elctricas no se presenta en todos los tipos de nube ni en
todos los tipos de nubes es posible el desarrollo de los rayos. Desde el punto de vista de su
comportamiento elctrico las nubes se clasifican en:
1. Nubes cmulos. Son nubes de buen tiempo. No hay separacin de cargas. Son elctricamente
inactivas. Estn conformadas por pequeas gotas de agua que al cruzar en su cada el nivel de
condensacin, se evaporan.
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2. Nubes cumulonimbus. Conformadas por cristales de hielo y nieve que facilitan la formacin
de grandes gotas de agua constituyendo lo que se llama la tormenta incipiente. En ellas hay
iones positivos e iones negativos pero an sus concentraciones y separaciones no la hacen
elctricamente activa.
3. Nubes cumulonimbus elctricamente activas: Son las denominadas nubes de tormenta,
elctricamente activas. En ellas la concentracin y separacin de iones de signos contrarios, es
tal que dentro de la misma nube y tambin entre ella y la tierra (por efecto electrosttico se
inducen en la superficie de la tierra cargas de polaridad contraria a las de la base de la nube de
tormenta), se forman fuertes campos elctricos.
Producto del proceso de acumulacin de cargas, en los puntos de ms alta concentracin de
cargas en el interior de la nube, el potencial va aumentando hasta que alcanza un valor
aproximado de unos 10 kV/cm, campo elctrico suficiente, dadas las condiciones de presin y
temperatura existentes en la nube, para iniciar un proceso de ionizacin y con ello el desarrollo de
un rayo.
Existen dos tipos de rayos:
Rayos en bola o esferoidales.
Rayos lineales.
El rayo esferoidal es un fenmeno poco frecuente y su estudio en nuestros tiempos es insuficiente.
En general se plantea que este tipo de rayo surge en un lugar de curvatura o flexin del rayo lineal
debido a la accin de fuerzas electrodinmicas. Su tiempo de duracin autnoma es breve y su
desaparicin se acompaa con frecuencia de un fuerte estallido. Su cada sobre los sistemas
elctricos es poco comn por lo que no constituye una fuente considerable de sobretensiones.
Los rayos lineales se desarrollan entre dos centros de carga en el interior de la nube o entre sta y
la tierra.
Las investigaciones demuestran que el mayor porciento de rayos lineales ocurre entre regiones
cargadas de una misma nube o entre nubes y que aproximadamente solo del 30-40 % ocurren
entre nube y tierra. El rayo lineal ms frecuente entre nube y tierra es el de lder escalonado
descendente negativo, porque las cargas negativas se depositan usualmente en la base de la nube,
pero tambin hay rayos con lideres descendentes positivo y rayos con lideres ascendentes.
Rayos de lder escalonado descendente negativo.- La fase de desarrollo de la descarga en los
rayos escalonado descendente negativo comienza cuando la concentracin de carga local en una
regin de la nube hace que el gradiente de potencial alcance la tensin de rompimiento del aire.
Cuando esto ocurre surgen las condiciones para el desarrollo de avalanchas de electrones que se
aceleran por este campo intenso y dan origen a una zona de ionizacin que se propaga en una
direccin preponderante que se le denomina descarga gua o lder del rayo (lderes descendentes
escalonados negativos). El lder normalmente avanza a una velocidad de 1/6 de la velocidad de la
luz por espacio de unos 50- 60 m, haciendo un alto y emitiendo en su cabeza un haz de luz de
gran brillantez. El alto es debido a que el rgimen de acumulacin de cargas en la cabeza de la
descarga gua o lder no es suficiente para mantener el gradiente de tensin necesario para el
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desarrollo contino de la descarga. Transcurridos unos 50 S, ya de nuevo el gradiente de tensin
es suficiente, desarrollndose un nuevo proceso de descarga con caractersticas similares al
anterior, pero con una direccin por lo general diferente ya que la direccin de avance de la
cabeza del lder depende de las regiones heterogneas del campo y la estructura de la masa del
aire y por ello no es estable. A partir de un punto determinado es comn que comiencen a
desarrollarse dos o ms lideres.
A medida que el extremo de la descarga se aproxima a la tierra aumenta el nmero de cargas
positivas inducidas en la superficie y en los objetos en tierra sin embargo el punto de impacto
permanece indeterminado hasta que el lder se sita a determinada altura. A esta distancia la carga
inducida por el lder sobre la tierra u objetos en tierra crea un gradiente suficiente para causar el
rompimiento del aire, comenzando a desarrollarse otro lder, de carga contraria, que avanza en
busca del lder descendente. En el instante en que se establece el contacto entre ellos ha finalizado
la etapa de desarrollo inicial comenzando la etapa de la descarga principal.
Al establecerse el contacto se ha formado ya un paso altamente ionizado entre los dos centros de
carga a travs del cual fluye una alta corriente. En el momento de contacto las cargas positivas
escapan de la tierra y de los objetos en tierra a travs del camino altamente ionizado de la
descarga gua neutralizando la carga volumtrica negativa depositada alrededor del canal y la de
la propia nube. Tal suceso caracteriza una propagacin que se mueve de la tierra a la nube a una
velocidad de aproximadamente 1/10 de la velocidad de la luz denominada descarga principal o
descarga de retorno. La viva luminiscencia de la descarga principal se percibe a simple vista
como una llamarada; el rpido desplazamiento del gas por el calentamiento debido a la corriente
del estadio principal y su posterior enfriamiento y comprensin da lugar a una onda acstica: el
trueno.
Por el camino altamente ionizado de la descarga principal, y despus que se puede considerar que
sus efectos fundamentales han cesado, se mantiene circulando una corriente del orden de los
100-1000 A por espacio de unos 20000 s, la que mantiene el paso con un alto grado de
ionizacin; esto permite que de otro centro de carga de la nube se desarrolle otro lder que dar
lugar a un nuevo rayo. El desarrollo del lder de esta nueva descarga es de la misma naturaleza
que el original, pero se desarrolla en forma contina debido a la ionizacin existente en el canal
de descarga formado por el primer rayo por lo que se le denomina lder flecha. En la Fig. 8.2.3 se
puede apreciar la representacin esquemtica del proceso antes descrito.
El proceso de desarrollo del gua de la primera descarga es de unos 20000 s, en tanto que el
desarrollo de la descarga principal es del orden de los 100 s proceso durante el cual es
neutralizada la carga del paso ionizado y la carga restante en la nube. La corriente en el gua es
del orden de los 100 A, en tanto que para la descarga principal dicha magnitud flucta entre los
1000 y los 200000 A, la que disminuye para las descargas consecutivas. El intervalo de tiempo
entre descargas flucta entre 0,0006 y 0,5 segundos, siendo el tiempo ms usual del orden de los
0,3 segundos.
Se estima que alrededor del 90 % de las descargas atmosfricas son rayos con lderes
descendentes de polaridad negativa por lo cual constituyen la fuente fundamental de las
sobretensiones externas en los sistemas elctricos.
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Rayos de lder escalonado descendente positivo.- Los rayos lineales con lideres descendentes
escalonados positivos se desarrollan de igual forma que los negativos pero a partir de la parte de
la nube cargada positivamente. Se caracterizan por una mayor amplitud y duracin de la corriente
respecto a rayos de lderes descendentes escalonados negativos y por ausencia de descargas
consecutivas.
Las investigaciones demuestran que las descargas positivas estn relacionadas principalmente a
rayos lineales con lderes ascendentes y que estos ocurren principalmente para estructuras muy
altas o estructuras ubicadas en regiones muy altas.
Rayos de lder escalonado ascendente.- Un efecto importante de los objetos sobre la superficie de
la tierra es la posibilidad del desarrollo de lideres escalonados ascendentes a partir de objetos de
gran altura. Los rayos lineales con lideres escalonados ascendentes ocurren en regiones elevadas y
en objetos de gran altura, fundamentalmente de altitud de 100 m o ms. En este caso la descarga
gua comienza desde altas concentraciones de cargas en la tierra u objetos en tierra, hacia arriba,
en la direccin de los centros de carga en las nubes.
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Fig. 8.2.3.- Proceso de desarrollo de los rayos.
Se caracterizan en la fase de descarga principal, por una mayor duracin y una menor amplitud de
la corriente (en el orden de algunos kA) respecto a rayos con lderes descendentes escalonados
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negativos. En las descargas consecutivas el lder se desarrolla de la nube a la tierra tal y como un
rayo de lder descendente.
Para los objetos de altura de alrededor de 100 m ubicados en regiones llanas, el 7 % de los
impactos son de este tipo, para alturas de los objetos de alrededor de los 200 m aumenta hasta el
25 %, para alturas de los objetos mayores de 380 m alcanza el 96 %. En regiones elevadas, el
nmero de rayos de este tipo que impactan, incluso objetos no altos, es cercana al 15 % del
nmero total de impactos.
Las investigaciones demuestran que las descargas positivas estn relacionadas principalmente a
rayos lineales con lderes ascendentes.
Como se plante anteriormente un rayo a tierra, tanto de lder ascendente como de lder
descendente, frecuentemente incluye un proceso de descargas mltiples. Estas pueden
desarrollarse de dos formas:
Despus de la descarga de retorno (descarga principal), por el camino an ionizado se
suceden desde otra regiones cargadas de la misma nube, una o ms descargas a tierra que
en cualquier caso (lder inicial ascendente o descendente) se desarrollan con lder
ininterrumpido de la nube a la tierra para golpear el mismo punto en que incide la descarga
principal.
Aquellas que tienen diferentes puntos de terminacin en la tierra. Estas pueden ser
originadas por ramificaciones al final del camino ionizado que conducen a que la descarga
principal ocurra en varios puntos (rayos de races ramificadas) o pueden involucrar una
sucesin de descargas espacialmente separadas (rayos complejos) que aunque ocurren a
intervalos comparables a los de las descargas descritas en el punto anterior, tienen
aparentemente, lderes guas independientes y pueden terminar a varios kilmetros del
punto de incidencia de la descarga principal.
La primera forma agrupa alrededor del 90 % de las descargas mltiples que en lo adelante se
designan como descargas sucesivas y el resto, el 10 % corresponde al segundo grupo.
El conocimiento de las caractersticas de las descargas sucesivas es importante para la operacin
adecuada de los sistemas elctricos de potencia porque ellos pueden someterse a un grupo de
descargas dentro de un intervalo muy corto y por tanto sus dispositivos de proteccin deben estar
diseados para estas contingencias. Por ejemplo, los pararrayos deben ser capaces de operar
sucesivamente de forma exitosa con intervalos de tiempo muy cortos.
Los estudios realizados indican que el 55 % de los rayos negativos a tierra tienen descargas
sucesivas. En el 90 % de los casos el nmero de descargas sucesivas no excede el valor de 8
aunque se han registrado valores de hasta 30. Su valor medio es 3, sin excluir la posibilidad de
que este valor sea superior en regiones cercanas al Ecuador.
Los rayos positivos agrupan alrededor del 10 % de los rayos a tierra y su nmero de descargas
sucesivas rara vez excede el valor de 6. Su valor medio es 1 por lo que para los propsitos de
ingeniera se asumen como rayos de un slo golpe.
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8.2.3.- INTENSIDAD DE LAS TORMENTAS ELECTRICAS.
En general la actividad de la tormenta crece del Polo al Ecuador, existiendo dependencia de la
actividad del sol y el relieve del terreno y es mayor en tiempo de huracanes. Coexisten en el
mundo dos indicadores para evaluar este parmetro: el nivel cerunico y la densidad de rayos a
tierra.
El nivel cerunico, primer indicador establecido, y ampliamente utilizado todava, es un indicador
indirecto que expresa la cantidad de das tormenta al ao (Td) de la regin y acostumbra a darse
para un pas segn el Mapa de Niveles Isocerunicos (curvas de nivel de igual cantidad de das
tormentas al ao).
Sus principales imprecisiones se deben a su forma de obtencin y al necesario establecimiento de
una relacin emprica entre los das tormentas y el nmero total de rayos a tierra. Para obtener el
nmero de das tormentas al ao se utilizan las observaciones que se realizan desde las estaciones
meteorolgicas donde se toma como da de tormenta, aquel en que el observador note aunque
solo sea un relmpago o trueno. De esta manera no se discrimina entre los rayos nube a nube y
los rayos nube a tierra.
La densidad de rayos a tierra (Ng) es un indicador directo, actualmente el ms preciso para
caracterizar la actividad de tormenta en una regin. Expresa la cantidad de rayos en una superficie
de tierra de un km2 en el tiempo de un ao. Su obtencin ha sido posible por el desarrollo de los
contadores de rayo que, como pueden discriminar las descargas nube a nube de las descargas
nube a tierra, permiten obtener, directamente por medicin, la cantidad de rayos a tierra en la
regin que abarca su radio de cubrimiento (20 a 40 km.).
La informacin que se obtiene en una regin del uso de estos contadores en un ciclo solar permite
definir las curvas de isodensidad de rayos a tierra que se utilizan en sustitucin de las curvas de
niveles isoceranicos.
La expresin que relaciona la densidad de rayos a tierra con el nmeros de das tormentas en
terrenos planos es la siguiente:
25,1
dg T044.0N 8.2.1
Donde:
Ng - Nmeros de rayos a tierra /km2/ao.
Td - Das tormenta al ao.
8.2.4.- CARACTERISTICAS DE LA CORRIENTE DE LOS RAYOS.
La magnitud de la corriente en los rayos es uno de los factores ms importantes a la hora de
analizar las caractersticas de los equipos y sistemas de proteccin contra los mismos. Tal como
se muestra en la Tabla 8.2.1, slo un 20 % aproximadamente de los rayos exceden los 40 kA.
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Las amplitudes de las corrientes asociadas a las descargas atmosfricas se expresan segn la
funcin de distribucin de probabilidades de ocurrencia de sus valores. La ley que rige la funcin
de distribucin se obtiene de un grupo de mediciones estadsticamente validadas de este
parmetro.
Las tres distribuciones ms importantes que aparecen en la literatura son:
La Distribucin de la AIEE, 1950.
La Distribucin de F. Popolansky, 1972.
La Distribucin de R.B. Anderson y A.J. Eriksson, 1978.
La Distribucin de la AIEE es una de las primeras distribuciones de probabilidad utilizada para
reproducir estadsticamente las magnitudes de corriente de las descargas atmosfricas. Su forma
se muestra en la Fig. 8.2.4.
La Distribucin de F. Popolansky es el producto de un estudio detallado de mediciones de
corrientes de rayos realizadas en Checoslovaquia, Polonia, Suecia, Gran Bretaa, Australia,
Estados Unidos y otros pases. Se corresponde con una distribucin log-normal que se describe
segn la expresin 8.2.2.
dPIrlog
ImlogIrlog
2
1exp(
Ir
1
Irlog2
1IrP
Ir
0
8.2.2
Donde:
P(Ir)-Probabilidad de que cualquier rayo exceda la magnitud de corriente Ir.
Ir - Magnitud de la corriente del rayo en kA.
Im = 25 kA: (Mediana de la distribucin).
Log Ir - Desviacin media cuadrtica del logaritmo de la corriente del rayo.
La Distribucin de R.B. Anderson y A.J. Eriksson es una versin de la distribucin de F.
Popolansky derivada de considerar, solo aquellas mediciones de corriente del rayo obtenidas en
estructuras de alturas menores a 60 m. Tal restriccin permite obtener una distribucin que se
ajusta ms a los datos necesarios para los estudios del diseo y comportamiento ante rayos de las
lneas areas elctricas de transporte de energa (tienen alturas de estructuras promedios inferiores
a 60 m).
Esta versin es tambin una distribucin log-normal. En este caso los parmetros de la
ecuacin son: Im = 30 kA y Log Ir = 0.32.
Para fines prcticos esta distribucin puede estimarse aproximadamente mediante la ecuacin
8.2.3.
b
m
r
r
I
I1
1)I(P
8.2.3
Donde:
-
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)Ir(P - Probabilidad de que cualquier rayo exceda la magnitud de corriente Ir.
Ir- Magnitud de la corriente del rayo en kA.
Im = 30 kA (Mediana de la distribucin).
b = 2.6
Tabla 8.2.1.- Corriente en los rayos.
Corriente
en kA
Nmero de rayos
Positivo Negativo Total
# % # % # %
Hasta 10 65 52,4 172 20,02 237 24,1
10 - 20 24 19,3 194 22,6 218 22,2
20 - 30 9 7,3 177 20,1 186 18,9
30 - 40 6 4,8 115 13,4 121 12,3
40 - 50 5 4,0 84 9,8 89 0,1
50 - 60 5 4,0 41 4,8 46 4,7
60 - 70 3 2,4 22 2,7 25 2,5
70 - 80 2 1,6 14 1,6 16 1,6
80 - 90 1 0,8 13 1,5 14 1,4
90 - 100 0 5 0,6 5 0,5
100 - 110 1 0,8 8 0,9 9 0,9
110 - 120 - 2 0,2 2 0,2
120 - 130 - 4 0,5 4 0,4
130 - 140 1 0.8 2 0.2 3 0.3
140 - 150 - 3 0.3 3 0.3
150 - 160 - 2 0.2 2 0.2
160 - 170 - - -
170 - 180 1 1 0.1 2 0.2
400 1 - - 1 0.1
Total 124 859 983
Esta ecuacin es bastante aproximada en la gama de 5 a 200 kA que constituye el rango hasta el
mximo valor de corriente del rayo obtenido por medicin. Se reportan en la literatura valores de
hasta 350 kA pero son obtenidos indirectamente por el anlisis de las caractersticas de
deformacin de los conductores de cobre en las antenas de televisin.
Las formas de onda de las descargas atmosfricas, al igual que las amplitudes de la corriente, se
describen segn la funcin de distribucin de probabilidades de ocurrencia. La distribucin de
R.B. Anderson y A.J. Eriksson es la ms representativa hasta el momento y la misma est dada
por:
-
470
24
dt
dI
1
1IP
rr 8.2.4
Donde:
P ( Ir ) - Probabilidad de que cualquier rayo exceda el valor td
dIr.
td
dIr - Valor mximo especificado en kA/ s.
Fig. 8.4.2.- Distribucin de la AIEE
8.2.5.- EFECTO SOBRE LOS RAYOS DE LOS OBJETOS SOBRE LA SUPERFICIE DEL
TERRENO.
Cuando el de lder un rayo comienza a descender de la nube no se sabe exactamente donde va a
caer, y la mayor parte de la trayectoria est determinada por circunstancias ms o menos
accidentales como es el estado de ionizacin del aire a lo largo de su ruta. Cuando el gua se
acerca a la tierra el campo entre l y la tierra se hace ms y ms intenso, sin embargo, el punto de
impacto permanece indeterminado. Segn los estudios realizados se ha determinado que el lder
comienza a cambiar su direccin, en busca de un objeto dado, desde un punto definido por
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encima de la superficie de la tierra, decidindose entonces donde va a caer. La altura a la que se
encuentra dicho punto se le denomina radio de atraccin de los objetos en tierra o altura de
orientacin del rayo y la misma, en funcin de la altura del objeto, est dada por la ecuacin de
Eriksson:
6,0
a h14r 8.2.5
Por lo antes expuesto queda claro que un objeto de una altura determinada sobre el nivel de la
tierra atraer hacia s el lder y con ello, en una regin y con una probabilidad dada determinar el
lugar donde impactar el rayo.
Otros autores relacionan el radio de atraccin de los objetos en tierra o altura de orientacin del
rayo con la corriente del mismo tal como se indica en las expresiones 8.2.6 (expresin de
Whitenhead) y en la expresin 8.2.7 (expresin de Anderson).
8,0
a Ir7,6r 8.2.6
65,0
a Ir8r 8.2.7
En estas expresiones la corriente del rayo se expresa en kA y el radio en metro. Es a partir de este
radio que el punto de impacto puede determinarse por consideraciones geomtrica usando el
modelo electrogeomtrico. En sus fundamentos bsicos este modelo supone que la intensidad
media de ruptura en el espacio de aire es constante, por la cual la descarga ocurre siempre por la
distancia ms corta, lo que conduce al rayo a golpear el objeto en tierra ms prximo a l.
Para evaluar con este modelo de desarrollo de la descarga, y determinar el grado de proteccin
que brida, por ejemplo, un pararrayos de Franklin a un objeto dado cercano es suficiente dibujar
desde la cspide de ambos, superficies esfricas de radios rS y trazar una paralela a tierra a esta
misma distancia en el plano horizontal como se indica en la Fig. 8.2.5.
En el grfico se observa que existe determinado arco AB de la superficie esfrica trazada a partir
del objeto que delimita su interseccin con la superficie esfrica trazada desde el pararrayos y la
paralela a la tierra, de manera que queda por encima de ambos. A esta regin se le denomina zona
de cubrimiento o cierre del objeto, y es aquella en la cual la descarga del rayo ocurre siempre
sobre l sin que sea interceptado por otro objeto, el pararrayos o la tierra en este caso.
8.2.6.- MEDIOS DE PROTECCION CONTRA RAYOS.
El objetivo bsico que se plantean todos los medios de proteccin contra rayos es el de limitar los
efectos de las altas corrientes que los acompaan, por lo que es necesario buscarle un paso de baja
impedancia a tierra a fin de limitar, a valores permisibles, las sobretensiones que puedan aparecer
producto de la circulacin de esta corriente.
El cumplimiento del objetivo antes sealado se logra de las siguientes formas:
Predeterminando el lugar donde debe caer el rayo, lo que se logra mediante el
apantallamiento del objeto a proteger.
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Situando en paralelo con los equipos a proteger dispositivos que sean capaces de limitar a
valores permisibles las sobretensiones que puedan aparecer producto de la alta corriente
del rayo.
Adems de lo antes sealado es necesario, para garantizar una proteccin adecuada contra los
efectos de las altas corrientes de los rayos, que la circulacin de la corriente de la descarga se
efecte a travs de un paso de baja impedancia. De no cumplirse esta condicin se pueden
presentar fallos en el aislamiento y accidentes fatales debido a que el potencial del punto
supuestamente protegido aumenta por encima de lo permisible. Un ejemplo tpico se tiene en el
caso mostrado en la Fig. 8.2.6, en la cual se puede apreciar un rayo haciendo impacto en una
estructura de una lnea area. Si se considera un rayo de 20 kA que tenga una razn de
crecimiento de 10 kA/s y que la inductancia de la estructura es de 10 H y la resistencia de
puesta a tierra es de 5 la tensin que aparecer en el extremo superior de la estructura esta dado
por:
dt
dILRIU 8.2.8
rs
AB
rsrs
rs
ObjetoPararrayos
Fig. 8.2.5.-Modelo electrogeomtrico.
Si se sustituyen en la expresin 8.2.8. los valores antes sealados se tiene que la tensin en el
extremo superior de la estructura es de 200000 V. Si se trata de un sistema en el cual el nivel
bsico de aislamiento ante impulsos tipo rayo es de 110 kV, como es el caso de algunos sistemas
de distribucin, la diferencia de potencial aplicada al aislamiento de la lnea es superior a lo
permisible y se establecer una descarga disruptiva entre el poste y la lnea, lo que provoca una
falla en el sistema. Casos similares a este se pueden presentar en cualquier tipo de instalacin, en
los cuales pueden ocurrir accidentes mortales, si al circular la corriente del rayo por el sistema de
puesta a tierra el potencial de ste aumenta tanto que se presentan flameos laterales o si la tensin
de paso alcanza valores extremadamente altos.
-
473
Los equipos que se emplean para la proteccin contra los rayos son:
Los mstiles.
Los cables protectores.
Los descargadores.
Los pararrayos.
Los dos primeros basan su operacin en el principio del apantallamiento y los otros dos en la
limitacin de la tensin que puede aparecer en un equipo producto de un rayo, por lo que se sitan
en paralelo con ellos.
8.3.- PROTECCION DE EDIFICIOS Y DE INSTALACIONES GENERALES.
8.3.1.- INTRODUCCION.
La proteccin de edificios y de instalaciones generales contra rayos se basa en el principio del
apantallamiento, y se realiza por medio de pararrayos. Se emplean diferentes tipos de pararrayos
con este fin pero todos ellos tienen en comn el establecimiento de un camino de baja impedancia
que facilite el paso de la corriente y que permita, de la forma ms sencilla posible, la descarga a
tierra del rayo.
R
Fig. 8.2.6.- Descarga inversa en una cadena de aisladores.
Bsicamente los pararrayos se dividen en dos tipo: los activos y los pasivos. Los pararrayos
activos son los que tratan de facilitar el camino del lder positivo que sale de la tierra,
dirigindolo o provocando un camino de baja impedancia. Actan con el gradiente electrosttico
de la atmsfera, descargando el lugar donde se encuentran instalados, evitando que el rayo incida
en ese punto, convirtindose en un elemento preventivo, adems, el encuentro entre el lder
positivo y negativo se realiza a mayor altura alejando con ello el punto de mayor temperatura
durante la descarga del rayo.
-
474
Los pararrayos pasivos descargan el terreno donde estn instalados nicamente por el efecto
punta, por lo que materialmente esperan el rayo para disiparlo a tierra, teniendo por tanto una
mayor probabilidad de impacto.
Cualquiera que sea el tipo de pararrayos adoptado para la proteccin de un edificio o instalacin
estar formado por los siguientes elementos bsicos.
1. Un elemento receptor colocado en la parte ms alta de la instalacin. Puede estar constituido
por puntas metlicas o conductores dispuestos de varios modos segn las caractersticas y
dimensiones de la instalacin a proteger.
2. Conductor a tierra que puede estar formado por dos o varios conductores y tiene la misin de
transportar a tierra la corriente del rayo. Debe seguir el camino ms corto a tierra pasando por
la parte exterior y poseer la menor impedancia posible.
3. Sistema de puesta a tierra a travs del cual se distribuir la corriente del rayo.
8.3.2.- PARARRAYOS PASIVOS.
Como se planteo anteriormente los pararrayos pasivos son los que no descargan el terreno donde
estn situados y entre ellos los ms significativos estn:
El pararrayos de Franklin.
Los pararrayos de jaula.
El pararrayos de Melsens
Los hilos de guarda
Pararrayos de Franklin.- Benjamin Franklin, a quien se le atribuye el invento, coloco su primer
pararrayos en Filadelfia, en el ao 1760. Su pararrayos estaba formado por una barra cilndrica de
tres metros de altura y un dimetro de trece milmetros. El receptor colocado verticalmente y
terminado en una punta muy aguda estaba conectado a tierra mediante un conductor de hierro.
Este tipo de pararrayos se ha usado mucho y an se contina usando en la actualidad.
El conjunto descrito da lugar a un efecto punta pronunciado, lo que hace que, independientemente
del carcter errtico de los rayos, la probabilidad de que un rayo caiga dentro de un rea
determinada alrededor de l sea muy pequea. En general se puede plantear que el rea de
proteccin se obtiene formando un cono que tenga como vrtice el punto ms alto del pararrayos
y cuyos lados formen con l un ngulo dado, conocido como ngulo de proteccin, tal como se
muestra en la Fig. 8.3.1. Para las construcciones civiles el mximo ngulo permisible es de 45.
-
475
r0
Fig. 8.3.1.-Zona de proteccin de un mstil.
La superficie del cono posee el grado mnimo de seguridad, a medida que se avanza hacia el
interior se incrementa la seguridad contra impactos directos. Para edificaciones, con un ngulo de
proteccin de 45, se definen dos tipos de zonas: la A que posee un grado de proteccin del
99.5 % y ms y la B que lo tiene del 95 % y ms.
La zona de proteccin de un pararrayos individual de m150h est constituido por un cono de
altura hh0 , en el cual la seccin horizontal de la zona de proteccin a la altura xh del objeto
protegido es un crculo de radio xr , tal como se muestra en la Fig. 8.3.2. En este caso las zonas de
proteccin tienen las siguientes dimensiones.
Zona A. Zona B
A85,0h0 A92,0h0
hh1,1r0 h5,1r0
85,0
hhh02,01,1r xx
92,0
hh5,1r xx
-
476
r0
h h0
hx
rx
Lmite de la zona
de proteccin a
nivel de la tierra
Lmite de la zona
de proteccin al
nivel hx
Fig. 8.3.2.- Zonas de proteccin de un pararrayo de Franklin.
Evidentemente a medida que se avanza hacia el pararrayos el apantallamiento, para un objeto de
una altura dada, es ms efectivo por lo que el grado de proteccin contra un impacto directo ser
mayor. Ahora bien, lo ms correcto es mantener el objeto a proteger a una distancia tal del
pararrayos que no exista la posibilidad de que sea alcanzado por un flameo lateral, en el caso de
una alta resistencia de puesta a tierra o que sta se haga a travs de una conexin de alta
impedancia. El caso de las personas debe tambin considerarse la tensin de paso.
La eficiencia de este tipo de pararrayos disminuye con la altura en una forma similar a la de los
cables protectores como se ver posteriormente.
Pararrayo de jaula.- Como se conoce, cualquier cuerpo situado en el interior de una envoltura
metlica cerrada y conectada a tierra no siente los efectos de ningn fenmeno elctrico que
ocurra en su exterior, o en la superficie metlica de dicha envoltura, por intenso que ste sea.
Esta disposicin da por lo tanto la idea de lo que sera un pararrayos ideal.
As un edificio con revestimiento exterior metlico conectado firmemente a tierra queda
protegido contra todo tipo de rayos. Se obtienen tambin resultados similares si la cubierta
metlica es sustituida por una malla o red de conductores. En la prctica, por razones econmicas
y estticas lo que se emplea es una red en la parte superior y un nmero determinado de bajantes
a tierra.
Pararrayos de Melsens. Este pararrayos en sus inicios (1875) estaba constituido por una malla de
conductores situados en la parte superior de las edificaciones a la cual estaban conectadas
diferentes puntas, todas reunidas en un haz sobre una barra. En la actualidad este sistema se
reduce a un conductor que corre a lo largo de todos los pretiles de las edificaciones con puntas
situadas cada 3 o 6 metros, en dependencia de lo normado para la regin de que se trate.
-
477
Hilos de guarda.- Los hilos de guarda se emplean en edificaciones de baja altura y su operacin se
basa en el apantallamiento del objeto a proteger, aumentando el grado de proteccin que brindan
a medida que se considera un ngulo de proteccin menor. En ellos el empleo de un buen sistema
de puesta a tierra es imprescindible ya que los potenciales inducidos en ellos por descargas
cercanas son de consideracin.
8.3.3.- PARARRAYOS ACTIVOS.
Dentro de los pararrayos activos se pueden considerar dos modelos bsicos el radioactivo y el de
efecto corona.
Pararrayos radioactivos. - El hngaro Szillar fue el primero que pens en la aplicacin de
materiales radioactivos para provocar una excitacin artificial de la atmsfera y una produccin
de iones con fines de proteccin contra los rayos. Para ello fabric un pararrayos formado por una
barra de cuatro metros de altura encima de la cual coloc 2 mg de bromuro de radio. Las
observaciones experimentales realizadas con este tipo de pararrayos llevaron a la comprobacin
de que la cantidad de iones emitidos por este tipo de pararrayos era muy superior a la de una
punta normal. Los estudios del profesor Szillar permanecieron durante mucho tiempo privados de
aplicaciones prcticas por dos razones fundamentales:
1. A pesar de que la emisin de iones es mayor que la de una punta normal de pararrayos
sistema Franklin, la cantidad de electricidad que este pararrayos es capaz de disipar en la
atmsfera sigue siendo insuficiente para lograr una accin preventiva eficaz.
2. La necesidad de emplear material radioactivo costoso hacia este pararrayos de escaso
inters prctico.
Ha sido posible aumentar la cantidad de iones producidos por el pararrayos radioactivos, y limitar
simultneamente la cantidad de material radioactivo necesario, aplicando al pararrayos un
dispositivo de aceleracin cuyo funcionamiento se basa en el gradiente de campo elctrico que
existe entre la tierra y el medio circundante y que se incrementa muchisimo cuando una nube
cargada est situada sobre el pararrayos.
La funcin especfica del pararrayos radioactivo es producir un elevado nmero de iones y
dirigirlos hacia arriba evitando que se acumule carga en el terreno donde est instalado, con el fin
de evitar el lder positivo o la atraccin del lder negativo del rayo. El principio de su
funcionamiento es el siguiente: las partculas radioactivas altamente energticas ionizan el aire
produciendo una cantidad determinada de electrones los que, debido a la accin del campo
elctrico producido por el dispositivo de aceleracin, alcanzan la energa necesaria para producir
ionizacin por choques, ellos son atrados por la parte del pararrayos conectado a tierra
neutralizando cargas positivas en el mismo y disminuyendo por tanto su potencial y su capacidad
de atraccin.
Una desventaja de estos pararrayos es que las partculas ionizadas que quedan en el aire son
susceptibles de ser conducidas por el viento en diferentes direcciones, hasta el punto de que la
zona ionizada por el pararrayos puede considerarse como una nube que tiene un extremo
constante unido a la punta del pararrayos pero de forma y dimensiones variables en dependencia
-
478
de la fuerza y direccin del viento. Este fenmeno puede afectar otra de las ventajas de este tipo
de pararrayos que es, debido precisamente a la accin de esta nube inica, alejar el punto de
contacto entre le lder descendente negativo y el lder ascendente positivo, punto de disrupcin
del rayo, considerado el punto ms caliente de la descarga.
El ngulo de proteccin que puede llegar a generar este tipo de pararrayos es de hasta 75.
Entre los materiales radioactivos que se usan est el radio 226 con vida media de 1600 aos y
emisiones alfa de 4,5 MeV y el americio 241 con vida media de 433 aos y emisin alfa de 5,5
MeV, ambos con poca penetracin por ser emisiones alfa, por lo que hay que depositarlos con
una proteccin muy delgada para obtener una mejor ionizacin.
La limitacin fundamental que tienen estos pararrayos es la que se deriva del empleo de
sustancias radioactivas, lo que plantea un problema serio para su empleo y sobre todo para el
tratamiento que hay que darles cuando se retiren.
Pararrayos de efecto corona.- El pararrayos de efecto corona es otro tipo de pararrayos activo, que
evita la acumulacin de cargas elctricas en el lugar donde esta instalado, jugando en este caso el
papel fundamental el dispositivo de aceleracin. Para hacer ms eficiente este tipo de pararrayos
en el diseo del acelerador se procuran bordes ms pronunciados para facilitar el proceso de
ionizacin.
Con este tipo de pararrayos se obtiene ngulos de proteccin de hasta 60 y se pueden usar solos o
cumpliendo la funcin de las puntas en el pararrayos de Melsens o el de jaula de Faraday. En
estos casos descargan a todo el sistema de pararrayos en su conjunto.
En la actualidad existen tambin diferentes tipos de pararrayos electrnicos que aprovechando el
gradiente de potencial atmosfrico almacenan cargas en un capacitor y con dicha energa y con el
dispositivo adecuado generan efluvios de alta velocidad de penetracin desplazando el punto de
disrupcin del rayo a una altura considerable.
8.4.- PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION DE ENERGIA ELECTRICA.
8.4.1.- INTRODUCCION.
Las sobretensiones que aparecen en las lneas areas debido a los rayos pueden ser:
Por la incidencia directa del rayo en los conductores.
Por induccin.
Por la incidencia directa del rayo en la estructura.
Por la incidencia directa del rayo en el cable protector.
El efecto del incidencia directa de un rayo sobre un conductor cualquiera de una lnea area,
equivale a la inyeccin de una corriente que se propaga en ambas direcciones, tal como se indica
en la Fig. 8.4.1, generando una onda de tensin que est dada por:
2
ZIU rr 8.4.1
-
479
I / 2I / 2
I
Fig.8.4.1.- Circulacin de la corriente de un rayo al impactar a
un conductor areo.
Tomando como valor promedio de la impedancia caracterstica de una lnea 400 y una
corriente de 20 kA, valor de corriente frecuente en los rayos segn se puede ver en la Tabla 8.2.1,
la sobretensin a que estar sometido el aislamiento, segn la expresin 8.4.1, es de 4 MV.
Segn los clculos anteriores se puede ver claramente que los impactos directos provocan
sobretensiones de tal magnitud que, para evitar las fallas por esta causa, se requiere de un nivel de
aislamiento extraordinariamente altos siendo mucho ms econmico y tcnicamente factible
proteger a la lnea contra los impactos directos mediante su apantallamiento empleando cables de
proteccin.
Adems, cuando un rayo impacta una de las fases de un circuito trifsico en las otras dos fases se
inducen sobretensiones de polaridad contraria, pero de tal magnitud, que pueden llegar a provocar
fallas en ellas.
Cuando un rayo cae cerca de una lnea area, en ella aparece una sobretensin por induccin que
es la causante de la inmensa mayora de las interrupciones por rayos en las lneas de distribucin,
por el relativamente bajo nivel de aislamiento, y por que la forma de onda generalmente presenta
un frente mucho ms pendiente. La baja frecuencia de ocurrencia de impactos directos es debido a
la relativamente baja altura de estas lneas y al apantallamiento natural que le brindan los rboles,
las edificaciones y en muchas ocasiones otras lneas areas de mayor nivel de tensin.
El mecanismo de induccin de la tensin en una lnea elctrica producto de un rayo cercano es
mucho ms compleja. La tensin inducida en un punto de una lnea area producto de un rayo a
tierra en su cercana tiene dos componentes:
-
480
1. La debida a la induccin electrosttica en la lnea.
2. La debida a la induccin entre lnea y tierra producto de la variacin del campo magntico
producido por la corriente de la descarga principal del rayo.
Cuando un rayo cae cerca de una lnea area, en sta aparece una sobretensin debido a las cargas
inducidas en la lnea por el campo elctrico entre la tierra y la nube. El fenmeno puede
explicarse sobre la base de la Fig. 8.4.2 en la cual se indica esquemticamente una nube cargada
sobre un conductor, el que est a una altura h sobre la superficie de la tierra. El conductor
adquiere con respecto a la tierra un potencial dado aproximadamente por :
hEU 8.4.2
+
+ + + + + +
+
+ + + + + +
+
Fig. 8.4.2.- Induccin de cargas en una lnea debido a la cada de un
rayo cerca de ella.
Las cargas inducidas originalmente en el conductor son +Q y -Q, pero las cargas negativas fluyen
a tierra quedando el conductor cargado positivamente tal como se indica en la Fig. 8.4.2 y tan
pronto como la nube descarga a tierra la carga ligada se libera en forma de onda de tensin en
ambos sentidos. En las lneas trifsicas las ondas as producidas tienen la misma polaridad y
aproximadamente la misma amplitud y forma.
Otro fenmeno a considerar es el campo elctrico que surge en la lnea debido a la variacin del
campo magntico de la corriente del rayo y que resulta fundamental en cuanto a la tensin
inducida, la que tienen dos componentes: una vertical y una horizontal. Los rayos adyacentes a
una lnea provocan tensiones inducidas debidas fundamentalmente a la componente vertical del
campo elctrico y las cercanas a un extremo de la lnea provocan tensiones inducidas debido
fundamentalmente a la componente horizontal del campo elctrico.
-
481
El valor pico de las ondas de tensin que aparecen en las lneas casi nunca excede los 400 kV por
lo que ellos son capaces de producir fallas en el aislamiento de las lneas de distribucin, slo
raras veces en las lneas de 34,5 kV y prcticamente nunca en las lneas de transmisin.
8.4.2.- CABLES DE PROTECCION.
El grado de proteccin contra los impactos directos de los rayos a una lnea de transmisin
depende del grado de apantallamiento que le brinde la estructura y fundamentalmente el cable
protector. El nmero de rayos que impactan a las estructuras disminuye apreciablemente cuando
las lneas usan cables protectores tal como se muestra en la Tabla 8.4.1.
Tabla 8.4.1. - Distribucin de los rayos entre las estructuras y las lneas.
Nmero de
impactos
Nmero de cables protectores
0 1 2 3
% % % %
Estructuras 86 53 223 34 28 21 3 9
Lneas 75 47 432 66 107 79 29 91
Total 161 100 655 100 135 100 32 100
La diferencia fundamental entre el caso en que el rayo impacta a la estructura y el caso en que
impacta al cable protector est dado por la distribucin de la corriente del rayo por los pasos a
tierra que existen en la lnea. La distribucin de la corriente se muestra en la Fig. 8.4.3.
Cuando el rayo impacta a la estructura el 60 % de su corriente baja a tierra por ella y la
sobretensin inversa que tendr que soportar el aislamiento de las fases de la lnea est dado por
el producto de esta corriente por la impedancia total de puesta a tierra, ZI6.0U r . En el caso de
que el rayo impacte el cable protector por las estructuras adyacentes ms cercanas solo bajar a
tierra el 35 % de la corriente del rayo, en este caso la tensin inversa que tiene que soportar el
aislamiento de las fases es de ZI35.0U r , la que es menor que la del caso anterior en un 25 %.
Por esta razn es que se plantea que la primera condicin es la ms severa para el aislamiento que
soporta la lnea.
Si se analiza el aislamiento en aire que existe entre el cable protector y los conductores de las
fases se ve que ocurre todo lo contrario. En este caso, cuando el rayo impacta en la estructura la
mxima tensin que aparece entre estos dos conductores es de ZIU r35.0 , mientras que de
que el rayo impacte en el centro del tramo esta tensin es de ZI5.0U r
La eficacia de la proteccin que contra los impactos directos brinda el cable protector y la
estructura depende de los siguientes factores:
Altura y ngulo de proteccin del cable protector.
La impedancia caracterstica del cable protector.
La impedancia caracterstica del bajante a tierra.
La impedancia caracterstica del sistema de puesta a tierra.
-
482
Caractersticas del aislamiento que soporta a los conductores de las fases.
Espaciamiento entre los conductores de las fases y el cable protector.
Caractersticas mecnicas del cable protector.
5 % 15 % 60 % 15 % 5 %
Conductor Protector
5 % 10 % 35 % 10 % 5 %
35 %
Fig. 8.4.3.-Distribucin de las corrientes del rayo en una lnea con
cable protector.
a - Cuando el rayo cae en la estructura.
b - Cuando el rayo cae en el cable protector.
(a)
(b)
Angulo de proteccin.- El ngulo de proteccin est normalmente entre los 20 y los 40 grados,
siendo el ms usual de 30 grados para estructuras no mayores de 30 m. El grado de proteccin
que brinda un cable protector no depende solamente del ngulo de proteccin sino que la
probabilidad de falla est estrechamente relacionada con la altura del mismo como se muestra en
la Fig. 8.4.4.
Para evaluar el grado de proteccin que brindan los cables protectores los dos mtodos ms
usados son el de Kostenko y el de Whitehead.
Mtodo de Kostenko.- Segn este mtodo la relacin entre la probabilidad de que el
apantallamiento falle y se produzca un impacto directo a los conductores de la fase, la altura y el
ngulo de proteccin est dado por:
290hPlog 010 8.4.3
El nmero de veces que el apantallamiento falla y el rayo impacta uno de los conductores de las
fases y se produce una falla en la lnea est dado por:
4
011 10PPNN 8.4.4
Donde:
N1- Nmero de rayos que impactan en la lnea y que, para altura de hasta 30 m, est
dado por:
-
483
ao.km100/impactos30/TDh7,2N1
Siendo:
h- Altura promedio del cable protector.
TD - nivel isoceranico.
P1 - Probabilidad de que la corriente del rayo exceda la corriente crtica para producir
la ionizacin necesaria para el establecimiento de un arco de la fase a tierra y
con ello una falla a tierra. P1 esta dado por:
60I2P1
Siendo :
Z
U2I
%50d
Mtodo de Whitehead.- El punto de partida de este mtodo est en el radio de atraccin de los
objetos en tierra, altura de orientacin del rayo o distancia disruptiva que se muestra en la
Fig. 8.4.5. Para esta distancia el lder descendente del rayo impone en el cable protector un campo
elctrico tal que se inicia a partir de l el lder ascendente, impactando por lo tanto el rayo en el
mismo.
-
484
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
0,11
10 15 20 25 30 35 40 45
Fig. 8.4.4.- Dependencia de la probabilidad de falla de la
proteccin por cable protector del ngulo de
proteccin y de la altura de la torre.
15 m
24 m
30 m
36 m
42 m
Angulo de proteccin
Pro
bab
ilid
ad d
e fa
lla
de
la p
rote
cci
n
En vista de que el valor promedio del gradiente de ruptura contra un plano o placa conectado a
tierra puede variar respecto a un conductor, Whitehead introduce el siguiente factor de correccin,
que debe ser verificado en la prctica:
a
tt
r
rk 8.4.5
La distancia disruptiva denota dependencia respecto a la carga elctrica del lder, que ejerce
influencia sobre el valor pico de la corriente del rayo. Para ella establece Whitehead la relacin
entre la corriente pico del rayo en kA dada por la expresin 8.2.6
8,0
a Ir7,6r
-
485
ra ra
ra_s
C
DC
A
B
_
H
_y rt
Cable
Protector
Lder
Conductores de la fase
Fig. 8.4.5.-Modelo electrogeomtrico para el anlisis del efecto
apantallador de los cables protectores.
La corriente del rayo no siempre denota el mismo valor, de all que para cada valor de la corriente
se tengan tambin dos valores para la distancia, uno para rt y otro para ra. Ambos definen
entonces el plano ABCD de la Fig. 8.4.5 que contiene la zona expuesta BC. Esto quiere decir que
todos los rayos que pasen por BC se considera que carearan sobre el conductor de la fase.
De la Fig 8.4.5 se puede deducir que el arco BC encoge al aumentar la intensidad de la corriente
del rayo. Si se incrementa ra llegar un momento en que sea igual a cero, para un valor
determinado ra2. Corrientes pequeas requieren igualmente de valores menores de ra y la
exposicin aumenta hasta alcanzar la distancia crtica ra1, correspondiente a la corriente critica
ZU2I %50d . En consecuencia por debajo de este valor no se puede producir ninguna descarga
a travs del aislamiento. El apantallamiento efectivo se logra cuando se cumple que:
2a1a rr 8.4.6
El nmero de veces que el apantallamiento falla y el rayo impacta uno de los conductores de las
fases y se produce una falla en la lnea se obtiene integrando desde ra1 hasta ra2.
La precisin de este mtodo aumenta considerando una distribucin de la densidad de los rayos a
tierra (Ng) en funcin del ngulo de aproximacin o ataque del lder descendente () que obedece
a una funcin probabilstica normal tal come se muestra en ala Fig. 8.4.6. Esta alcanza entonces
su valor mximo para rayos verticales y su mnimo (cero) para rayos horizontales.
-
486
Fig. 8.4.6. Distribucin de los ngulos de incidencia.
Pro
bab
ilid
ad d
e in
ciden
cia
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
90 6030 - 0 + 30 90
Angulo de incidencia (grados)
M=2
Puede concluirse que el criterio de apantallamiento dado por la relacin 8.4.6 debe cumplirse para
cualquier punto de la lnea. Al llevar a cabo la integracin sobre los valores extremos es
importante considerar las limitaciones geomtricas del ngulo de ataque o incidencia, . Las
caractersticas del terreno afectado por la lnea, en particular si se trata de montaas o zonas
boscosas, con rboles grandes relativamente cerca de los conductores, ejercen una gran influencia
sobre las consideraciones anteriores.
Los valores ms frecuentes de kt oscilan alrededor de 0.9 aunque para muchas consideraciones
prcticas se considera frecuentemente igual a uno.
Impedancia caracterstica del cable protector.- El valor pico de la onda de tensin generada por un
rayo como se vio en el epgrafe 8.4.1 depende de la impedancia caracterstica del cable protector.
La impedancia caracterstica del bajante de tierra.- La magnitud de la onda de tensin que viaja
por el bajante a tierra, ya sea un conductor o la propia torre, est determinada por la magnitud de
la corriente y por el valor de la impedancia caracterstica del mismo. Si se tiene en cuenta que la
onda negativa, producto de la reflexin de la onda que baja por el bajante a tierra al arribar al
sistema de puesta a tierra, es la encargada de limitar la tensin inversa a que est sometido el
aislamiento y como se vio la misma est determinada por la impedancia caracterstica de la torre
se comprende la importancia de este parmetro.
Para torres que se pueden analizar en base a su representacin como un cono de altura h y base de
radio r, como es el caso de las torres de las lneas de doble circuito la impedancia de la torre est
dada por:
-
487
2
2
Tr
h1230lnZ 8.4.7
Para torres cilndricas la impedancia caractersticas se puede calcular por la expresin;
60h
r90
r
hln60ZT 8.4.8
En este caso r es el radio equivalente que se calcula a partir del permetro medio de la torre
dividido por 2. En el caso de que el bajante sea un conductor se emplea esta misma frmula
siendo en este caso r el radio del mismo.
Otro modelos utilizado es el modelo de cono invertido sobre tierra, el que describe la impedancia
de la torre como un valor variable que depende de la altura y el radio correspondiente.
h
rtan
2
1cotln60Z 1
T 8.4.9
La impedancia caracterstica del sistema de puesta a tierra. La impedancia de puesta atierra es un
factor determinante en la magnitud de la tensin inversa que soporta el aislamiento ya que ella es
quien determina la magnitud de la onda negativa reflejada.
Por lo difcil de determinar la misma comnmente se trabaja con el valor de la resistencia de
puesta a tierra medido a la frecuencia del sistema de potencia de que se trate. Excepto para
algunas configuraciones empleadas en suelos de alta resistividad los valores medidos de la
resistencia de puesta a tierra son menores que los de la impedancia caracterstica. En otras
ocasiones se emplea tambin el valor de la resistencia de puesta a tierra afectado por un
coeficiente de impulso (Captulo VI).
Espaciamiento entre los conductores de las fases y el cable protector.- Cuando cae un rayo en el
centro del tramo entre estructuras, sobre todo en el caso de frentes de onda muy pendientes, la
tensin entre los conductores de las fases y el cable protector puede alcanzar valores muy altos y
producirse una descarga entre ellos. Los efectos de estas descargas son nocivos no slo por el
hecho de que pueden producir una falla en el sistema, sino que el conductor puede ser daado,
sobretodo si se trata de conductores de aluminio.
Para evitar esta situacin lo que se hace es darle al cable protector, durante su instalacin, una
flecha menor, por lo general entre un 70 y un 80 % de la flecha del conductor.
Caractersticas mecnicas del cable protector.- El cable protector debe ser capaz de soportar el
efecto trmico de la corriente producida por el rayo, sobre todo en el punto de descarga y cuando
de trata de rayos mltiples.
8.4.3.- PARARRAYOS DISTRIBUIDOS.
-
488
En muchas lneas de transmisin, sobre todo en aquellas que corren a travs de zonas rocosas de
alta resistividad y alto nivel ceranico, se presentan con mucha frecuencia fallas debido a los altos
valores que alcanzan las tensiones inversas que se generan debido a los altos valores de
resistencia de puesta a tierra que las caracterizan. Para enfrentar esta situacin slo es posible
emplear dos mtodos: el empleo de medios artificiales para disminuir la resistencia de puesta a
tierra o situar pararrayo en las estructuras en paralelo con las cadenas de aisladores que soportan
los conductores de las fases. Es tpico encontrar estos problemas en lneas situadas en terrenos
montaosos. En muchas ocasiones es ms econmico la instalacin de pararrayos que el bajar la
resistencia de puesta a tierra por medios artificiales, muchos de los cuales por otra parte no
brindan una solucin definitiva en el tiempo.
Dado el alto costo de los pararrayos, su gran peso y dimensiones para tensiones altas los mismos
no se usaron con estos fines hasta la aparicin de los pararrayos de xido metlico.
Por las razones antes expuesta, antes de la aparicin de los pararrayos de xido metlico, se
usaban con estos fines exclusivamente los tubos de expulsin los que si cumplan con las
caractersticas especiales requeridas: ser ligeros, mecnicamente adecuados a las condiciones de
intensos vientos a los que se pueden someterse en reas abiertas, y ser resistentes a daos por
impactos. Los tubos de expulsin estn constituido bsicamente por un tubo de fibra con
electrodos en sus dos extremos. Al presentarse un arco elctrico en su interior, por el efecto
trmico del mismo, las paredes del tubo se descomponen produciendo una gran cantidad de gases
desionizantes, los que al ser expulsados al exterior por un orificio especialmente destinado a ello
desgarran el arco facilitando su extincin. Los tubos protectores no se conectan permanentemente
a la lnea sino que se encuentran aislados de sta por un entrehierros. Cuando la tensin aplicada
al entrehierros es superior a la establecida se establece a travs de l un arco, que cierra el circuito
a tierra a travs del interior del tubo que est diseado para tener una tensin de ruptura interior
mucho ms baja que la exterior. Cuando la corriente consecutiva de frecuencia de potencia pasa
por su valor cero se crean las condiciones para la extincin del arco.
En la actualidad se emplean con estos fines pararrayos de xido metlico que cumplen con los
requisitos necesarios. Existen bsicamente dos tipos de pararrayos a considerar: los que se
conectan directamente a travs de las cadenas de aisladores y los que se instalan con un
entrehierros externo en serie.
Los pararrayos que se conectan directamente a travs de las cadenas de aisladores se encuentran
permanentemente conectados a la tensin de la lnea a tierra y en condiciones normales de
operacin se encuentran sometidos a la circulacin de la corriente continuamente debido a la
tensin de operacin continua del sistema..
En los pararrayos que se instalan con un entrehierros externo en serie ste cumple las siguientes
funciones:
Proporciona un camino a tierra nicamente cuando se produce una sobretensin por impulso
de rayo.
Interrumpir la corriente de frecuencia de potencia una vez cesado el transitorio.
Aumentar la vida til del pararrayos como consecuencia de tener el pararrayos desconectado
de la lnea, sin someterlo a los esfuerzos elctricos asociados con las elevaciones temporales
de tensin en la lnea y el consiguiente aumento en la corriente de operacin continua
-
489
Un ejemplo tpico del empleo combinado de un entrehierros y de un pararrayos ZnO para
proteger un sistema de distribucin es el uso de los denominados limitadores de corriente del tipo
que se muestra en la Fig. 8.4.7
Limitador
de corriente
Conductor
Aislador
Anillo
Fig.7.4.7.- Proteccin de una lnea contra loas sobretensiones
empleando un limitador de corriente de ZnO en serie
con un entrehierros.
Entrehierros
8.5.- PROTECCION DE TRANSFORMADORES.
8.5.1.- INTRODUCCION.
La avera de un transformador es tan grave desde el punto de vista de la continuidad del servicio y
de su propio costo, que la proteccin de su aislamiento es uno de los principales objetivos de
todos los estudios de coordinacin de aislamiento.
Los dispositivos ms utilizados en la actualidad para la proteccin de ellos son :
Los entrehierros o descargadores.
Los pararrayos valvulares.
Los pararrayos de xido metlico.
8.5.2.- ENTREHIERROS O DESCARGADORES.
Los entrehierros o descargadores constituyen el equipo ms elemental y barato de los usados en la
proteccin contra las sobretensiones aunque tiene serias limitaciones. Su uso ms extendido es en
los sistemas de distribucin.
Una de las limitaciones ms importantes de estos dispositivos es que ellos no son capaces, en la
mayora de los casos, de interrumpir la corriente de frecuencia de potencia que se establece
despus de su operacin, por lo que el circuito en que estn instalados debe ser desenergizado
-
490
para limpiar la falla a tierra establecida. Por esta razn es por la cual su uso se recomienda en
zonas de bajo nivel ceranico y en sistemas con recierre automtico para limitar el tiempo de
interrupcin del servicio que su operacin provoca. Tambin se usan como proteccin de
respaldo.
Su principio de operacin se basa en la ruptura del aire cuando el campo elctrico entre ellos
alcanza la tensin necesaria para iniciar los procesos de ionizacin que han de crear el camino
conductor entre ellos. Por su principio de operacin se ve claramente que su tensin de ruptura se
ve afectada por las condiciones atmosfricas y ambientales: presin, temperatura, humedad, lluvia
polvo, etc.
En general se puede plantear que a partir del instante de tiempo en que entre los electrodos se
alcanza una tensin igual o superior a la tensin de ruptura, para las condiciones atmosfricas de
que se trate, para que sta se desarrolle ha de transcurrir un tiempo determinado. Este tiempo se
divide en dos partes: la primera denominada tiempo estadstico de demora y la segunda tiempo
formativo de demora.
El tiempo estadstico de demora es el tiempo transcurrido desde que se cumple la condicin de
que la tensin aplicada es mayor o igual a la tensin de ruptura a que aparece el primer electrn
libre capaz de iniciar la avalancha. El tiempo formativo de demora es el tiempo requerido por la
descarga para desarrollarse despus de la aparicin del primer electrn que produce una
avalancha exitosa, es decir, que lleva a la ruptura.
Una de las principales desventajas de estos dispositivos es que estos tiempos son relativamente
grandes y diferentes en cada una de sus operaciones por los factores que inciden en ellos. De esta
situacin se desprende una de sus principales desventajas: en el caso de sobretensiones con
frentes de onda muy pendiente la tensin de ruptura de ellos es muy alta, por lo que es necesario
disminuir la separacin entre ellos, situacin sta que hace que para sobretensiones de menor
magnitud, pero de mayor duracin, ellos puedan operar, an para sobretensiones permisibles.
Otro problema que se presenta con el empleo de este dispositivo es que cuando ellos operan
producen una onda cortada a cero, la cual puede provocar fallas en el aislamiento secundario de
los transformadores, debido a problemas en la mala distribucin de tensin a lo largo de sus
enrollados que producen los transitorios muy rpidos.
Los entrehierros o descargadores ms utilizados en la proteccin de transformadores de
distribucin son de dos tipos:
Los que se conectan al terminal de salida del transformador.
Los que se conectan a los aisladores de soporte.
Los que se conectan en los aisladores de suspensin.
Los descargadores que se conectan a los terminales de salida de los transformadores pueden ser
de dos tipo: tipo varilla y de tres electrodos tal como se muestra en la Fig. 8.5.1. El empleo de
descargadores de tres electrodos hace la descarga ms consistente para sobretensiones de gran
pendiente aplanado su caracterstica U vs t, adems por la configuracin de los electrodos ellos
actan como apagachispas por el mtodo de la elongacin del arco, lo que aumenta la capacidad
-
491
interruptiva de los mismos y protege al bushing de los efectos trmicos de la descarga al alejar el
arco de su superficie.
Fig. 8.5.1.- Descargadores que se conectan al bushing del
transformador.
a - Electrodos de varilla .
b - Tres electrodos de varilla dispuestos como apagachispas
por el mtodo de elongacin del arco.
(a) (b)
Los que se conectan a los aisladores de soporte son por lo general de slo dos electrodos tal
como se muestra en la Fig. 8.5.2.
Los que se conectan a los aisladores se suspensin son del tipo de tres electrodos con
apagachispas, tal como el mostrado en la Fig. 8.5.3. Para su empleo en este tipo de aislador la
unin entre los aisladores debe ser rgida, perdiendo as stos una de sus caractersticas
principales.
8.5.3.- PARARRAYOS DE CARBURO DE SILICIO (SiC).
Los pararrayos valvulares estn formados por tres partes principales:
La cmara aislante.
Los entrehierros o descargadores.
Las resistencias no lineales.
En la Fig. 8.5.4 se muestran las caractersticas generales de un pararrayos valvular. La cmara
aislante est compuesta de un tubo de porcelana y sus funciones son:
1. Aislar los elementos que se encuentran en su interior, los entrehierros y las resistencias no
lineales, del medio exterior.
2. Aislar el terminal de alta tensin de la conexin de tierra.
-
492
Este tubo de porcelana contiene en su interior todos los elementos del pararrayos y debe estar
hermticamente sellado y con un gas en su interior a una presin ligeramente superior a la presin
atmosfrica. Normalmente se emplea nitrgeno. La longitud de la cubierta de porcelana depende
de la tensin del pararrayos y sus dimensiones y configuracin externa deben ser los adecuados
para operar bajo condiciones de contaminacin, lluvias, etc.
Fig. 8.5.2.- Descargadores que se conectan a los aisladores de
soporte.
a - Electrodos de varilla.
b- Electrodos de varilla dispuestos como apagachispas
por el mtodo de elongacin del arco.
(a) (b)
-
493
Fig. 8.5.3.- Tres electrodos de varilla conectados a aisladores de
suspensin y dispuestos como apagachispas por el mtodo
de elongacin del arco.
Resistencias no lineales
Cmara de entrehierros
Resorte de presin
Elementos de contacto
Cuerpo de porcelana
Fig. 8.5.4.- Caractersticas generales de un pararrayos valvular.
Los entrehierros estn formados por una serie de placas metlicas pulidas, para evitar
preionizaciones indeseables, separadas por anillos aislantes construidos por lo general de mica
entre los cuales existe un campo elctrico casi uniforme para que al alcanzar la tensin de
descarga sta no tenga demora. Las principales funciones de los entrehierros son:
Soportar las tensiones normales de operacin sin que ocurran descargas.
Descargar a una tensin predeterminada para permitir el flujo de la corriente de la descarga
de impulso a travs del pararrayos.
-
494
Interrumpir la corriente de potencia que circula a travs del mismo despus de su
operacin.
El nmero y la tensin de ruptura de los entrehierros son los que determinan la tensin de
operacin del pararrayos.
Las resistencias no lineales estn constituidas por cristales de carburo de silicio (conductores)
incrustados en un medio aglutinante no conductor, comnmente cermica. A bajas tensiones el
flujo de electrones en los puntos de contacto de los cristales es despreciable, pero una vez que se
vence la barrera de potencial en los bordes de los mismos comienza a circular una corriente de
intensidad apreciable, es decir, al sobrepasar la tensin un valor determinado tiene lugar una
variacin hmica brusca, la resistencia disminuye y se facilita el paso de la corriente del rayo a
tierra.
Este mecanismo de conduccin es independiente de la direccin del flujo de la corriente lo que
faculta a estas resistencias para mandar a tierra indistintamente ondas de polaridad positiva o
negativa. La resistencia responde sin ningn retraso a cualquier variacin en el flujo de
electrones.
Las resistencias no lineales presentan la caracterstica de variar su valor hmico con gran rapidez
con la variacin de la tensin aplicada. Ha medida que aumenta la tensin aplicada disminuye el
valor de la resistencia, cumplindose tambin lo contrario, de ah su comportamiento no lineal. La
expresin que rige su comportamiento no lineal es:
UkI 8.5.1
Donde:
I - Corriente a travs del pararrayos.
U - Tensin en el pararrayos.
k - Constante que depende del material.
- Coeficiente de alinialidad (comnmente entre 4 y 6 ).
En la Fig. 8.5.5 se han representado en forma conjunta los diferentes parmetros que caracterizan
y facilitan el comportamiento de las resistencias no lineales. Las rectas (1) y (2) representan
resistencias lineales que contrastan con la resistencia no lineal (3). La parte (a) de la curva
corresponde al incremento de la corriente mientras que la (b) corresponde al decremento de la
misma.
-
495
3
a
b3
12
In Ia
Un
Ud
Ur
V
I
Fig. 8.5.5.- Caracterstica tensin corriente en un pararrayos valvular.
Como se puede apreciar, en las zonas de operacin normal, para valores iguales o menores que
Un, la magnitud de las resistencias no lineales (tangente a la curva) es muy grande. Para valores
superiores a Un la resistencia comienza a disminuir, por lo que grandes aumentos en la corriente
slo producen pequeos incrementos en la tensin, hasta que para el valor mximo de la corriente
de descarga (Ia) se alcanza la mxima tensin aplicada al pararrayos, la que se conoce como
tensin residual y es el valor mnimo al cual un pararrayos puede limitar una sobretensin. Al
disminuir la corriente la caracterstica retorna a sus condiciones iniciales formando un lazo,
restablecindose plenamente las condiciones iniciales cuando la corriente pasa por cero.
En resumen la operacin de un pararrayos valvular es la siguiente, al aplicrsele una sobretensin
entre sus terminales, y cuando sta alcanza un valor predeterminado, los entrehierros rompen y se
establece un arco entre ellos, las resistencias no lineales reducen su valor hmico a un valor muy
bajo producto de la elevacin de la tensin dando paso a la corriente asociada a la sobretensin.
Cuando la corriente de impulso ha sido drenada a tierra el pararrayos queda sometido nuevamente
a la tensin de potencia de la red, la cual trata de mantener la circulacin de la corriente
consecutiva, pero como la tensin ha disminuido la magnitud de las resistencias no lineales crece
rpidamente reduciendo el valor de la corriente a una magnitud tal que los entrehierros la puedan
interrumpir al primer paso de la misma por cero.
Este tipo de pararrayo usado en los sistemas elctricos hasta niveles medios de tensin es capaz
de drenar a tierra la corriente de los rayos sin que sus entrehierros sufran daos, pero para
corrientes superiores a los 300 A con duraciones de 2000 s o ms, en el punto de contacto del
arco con el entrehierros el metal puede ser fundido formndose glbulos que reducen la distancia
entre ellos, disminuyendo su tensin de ruptura y dificultando la extincin del arco, adems, para
estas corrientes el efecto trmico sobre las resistencias es mayor aumentando la temperatura
dentro del pararrayos lo que dificulta an ms la extincin del arco. Condiciones de operacin
-
496
con corrientes transitorias de estas magnitudes y superiores se presentan comnmente en los
sistemas de alta tensin con largas lneas de transmisin.
El efecto trmico del arco elctrico se puede disminuir mediante el empleo de un imn
permanente situado en forma tal que su campo magntico al actuar sobre el arco elctrico cree
una fuerza sobre el mismo que lo haga rotar, evitando con ello que el mismo acte continuamente
sobre el mismo punto, adems, este proceso alarga el arco elctrico facilitando su enfriamiento y
por tanto su extincin. Con este sistemas se logra interrumpir corrientes de hasta 600A.
Si bien el pararrayos con imn permanente se usa, en los pararrayos valvulares de estacin lo ms
comn es lograr el mismo efecto aprovechando el campo magntico creado por la propia
corriente de la descarga. A este tipo de pararrayos se le denomina pararrayos de soplado
magntico.
El principio de operacin de un pararrayos de soplado magntico se muestra en la Fig. 8.5.6 en la
que las bobinas de soplado magntico se encuentran conectadas en paralelo con resistencias no
lineales y ambas a su vez conectadas en serie con los explosores. Este sistema opera como sigue:
la frecuencia de la corriente que acompaa a la sobretensin es alta por lo que las bobinas de
soplado le ofrecen una elevada impedancia, circulando por tanto la corriente de la descarga por
las resistencias no lineales conectadas en paralelo con dichas bobinas, ahora bien, cuando la
corriente de la descarga cesa la corriente que queda circulando es la de frecuencia de potencia,
condicin para la cual las bobinas de soplado tienen una impedancia muy pequea y es por ellas
por donde circular la corriente y es el campo magntico creado por esta corriente la que acta
sobre el arco elctrico alargndolo y enfrindolo, lo que facilita su extincin.
Uno de los problemas ms crticos en los pararrayos valvulares es la distribucin de tensin en
sus entrehierros, si se consideran los entrehierros como capacitores en serie, tal como se indica en
la Fig. 8.5.7, tericamente les correspondera una distribucin de tensin lineal pues todos los
entrehierros son iguales, sin embargo, en la realidad no es as.
La distribucin de tensin no es lineal debido al efecto de las capacitancias parsitas que hacen
que la corriente que circula por cada entrehierros sea diferente. La tensin que corresponde a cada
unidad est dada por:
Nsenh
nsenhEEn
8.5.2
-
497
~Resistencias no
lineales de
derivacin
Bobinas de
soplado
magntico
Resistencias no
lineales principales
(a) (b)
Fig. 8.5.6.- Principio de operacin de un pararrayos de soplado
magntico.
a - Derivacin a tierra de la corriente de la sobretensin.
b - Derivacin a tierra de la corriente concecutiva .
Donde:
kC
C
N- Nmero de entrehierros.
Para mejorar la distribucin de tensin en los entrehierros de los pararrayos se usa el control
resistivo. Este consiste en situar en paralelo con los entrehierros resistencias de forma tal que la
corriente de fuga circule por ellas imponiendo as a los entrehierros la distribucin de tensin que
ellas determinen. Estas resistencias son lineales y en forma de aros para que puedan rodear
completamente al entrehierros.
Para pararrayos de tensiones muy altas se requiere, para mejorar la distribucin de tensin, del
control capacitivo, pues con el control resistivo se mejora mucho la distribucin de tensin pero
en la prctica no se logra la linealidad. El control capacitivo se logra mediante la adicin a los
pararrayos en su parte superior de una pieza en forma de anillo, la que produce capacitancias
transversales opuesta que compensan los efectos de las capacitancias parsitas.
Una mala distribucin de tensin en los entrehierros trae como consecuencia calentamiento e
ionizaciones indeseables en los entrehierros ms afectados, lo que a la larga disminuye la tensin
de operacin de los mismos.
En la seleccin de un pararrayos de este tipo para que opere correctamente se destacan por su
importancia dos parmetros:
La tensin nominal.
La corriente de descarga nominal.
-
498
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ck
C
Fig. 8.5.7.- Distribucin de tensin en los entrehierros de un
pararrrayos valvular.
La tensin nominal es el valor eficaz mximo permisible de la tensin de frecuencia de potencia
admisible entre sus bornes para la cual est previsto que el pararrayos funcione correctamente.
Esta tensin puede ser aplicada de manera continua sin modificar sus caractersticas de
funcionamiento. Si cuando el pararrayos opera le queda aplicada una tensin superior a su tensin
nominal el continuar drenando a tierra la corriente consecutiva de frecuencia de potencia hasta
su destruccin.
Como se sabe la mxima tensin de lnea a tierra durante una falla debe ser calculada teniendo en
cuenta los parmetros de sta, pero para clculos aproximados se puede considerar que en los
sistemas efectivamente puestos a tierra la tensin mxima a esperar no debe exceder el 80 % de la
tensin de lnea, en los puestos a tierra a travs de resistencias este valor oscila entre un 85-88 %
y para los sistemas aislados es de un 100 %. Normalmente se toma para la tensin nominal del
pararrayos un 105 % del valor de esta tensin.
La corriente de descarga nominal es el valor pico de la corriente de descarga de 8/20 s que se
utiliza para designar a un pararrayos. La corriente de descarga depender del tipo de pararrayos,
siendo valores tpicos de esta corriente 5, 10, 20 kA.
-
499
8.5.4.- PARARRAYOS DE OXIDO METALICO (ZnO).
La principal caracterstica de los pararrayos de xido metlico (ZnO) es que ellos operan sin la
necesidad de emplear entrehierros tal como se muestra en la Fig. 8.5.8. En ellos la cmara aislante
de porcelana, o de algn compuesto polimrico, cumple las mismas funciones que en el
pararrayos de carburo de silicio.
Resistencias no lineales
Resorte de presin
Elementos de contacto
Cuerpo de porcelana
Fig. 8.5.8.- Caractersticas generales de un pararrayos de ZnO
Las resistencias no lineales son discos cermicos densos compuestos en un 85-90 % de ZnO y en
un 10-15 % de otros xidos metlicos como son: Bi2O3, Sb2O3, CaO, MnO2, CrO3, NiO,
Al(NO3)3.
El CaO y el Al(NO3)3 juegan un papel particularmente importante en el dopado elctrico de los
granos de ZnO para aumentar su conductividad ya que ellos a la temperatura de sinterizacin de
la resistencia se difunden a travs de los granos de ZnO.
En la Fig. 8.5.9 se ilustra la estructura bsica de una resistencia no lineal a base de ZnO,
diminutas partculas de este material, de aproximadamente 10 m de dimetro, se encuentran
fusionadas en capas intergranulares de alta resistividad. La resistencia por lo tanto representa un
arreglo serie paralelo de granos de ZnO separados por uniones intergranulares del resto de los
xidos metlicos. Por lo general la resistividad de los granos de ZnO est entre 1-10 -cm, en
dependencia del dopado que tengan, mientras que la resistividad de las capas intergranulares es