seleccion pararrayos

5.5 CLCULOS PARA

LA SELECCIN

DEL

PARARRAYOS

SOTERRAMIENTO PARCIAL DE

LA LINEA ELCTRICA DC 132 kV

CASILLAS - PUENTE NUEVO Y

LANCHA - RIVERO

Manuel Snchez Tenorio

SOTERRAMIENTO PARCIAL DE LA LINEA ELCTRICA DC 132 kV CASILLAS - PUENTE NUEVO Y LANCHA - RIVERO


Doc.5.5- Clculos de Seleccin del Pararrayos

1

INDICE 1 INTRODUCCIN ......................................................................... 2

2 FUNCIONAMIENTO ...................................................................... 3

3 CRITERIOS DE DISEO ............................................................... 9

4 CALCULOS PARA LA SELECCIN DEL PARARRAYOS......................... 15




2

1 INTRODUCCIN

Los pararrayos son dispositivos previstos para limitar las sobretensiones

transitorias que aparecen en la red. Estn constituidos por discos de xido

de zinc con xido de otros metales (Bi, Sb, Mn, Co, etc.), protegidos por una

envolvente de porcelana o de material de goma silicona. Durante su

fabricacin se consigue la mezcla de polvo de los xidos constituyentes

debidamente compactados y sintetizados, tal y como se puede contemplar

en la siguiente figura.

Ilustracin 1. Pararrayos de Oxido metlico




3

2 FUNCIONAMIENTO

En condiciones de funcionamiento continuo sin sobretensin, a travs

del pararrayos circula una corriente de fuga de unos pocos mA. En esta

regin la densidad de corriente en los discos es Inferior a 10-5 A/mm2, zona

de trabajo en que la caracterstica tensin-corriente es muy sensible a la

temperatura. Para una misma tensin aplicada, la corriente aumenta muy

significativamente al aumentar la temperatura. Es decir, que con altas

temperaturas la energa disipada en el pararrayos aumenta

considerablemente pudindose llegar a su ruptura trmica.

Cuando aparece una sobretensin, el pararrayos cambia su punto de

funcionamiento (regin 2). En esta regin la energa de la sobretensin

transitoria se drena a tierra en forma de corriente provocando una densidad

entre 10-5 Almm2 y 0,2 A/mm2, manteniendo la tensin en un valor

prcticamente constante y por debajo del nivel de aislamiento del equipo o

material que protege. La caracterstica de funcionamiento en esta regin

viene definida por la siguiente expresin:

=

donde

I : corriente de descarga.

U : tensin residual.

gggg : es el coeficiente de no linealidad que vara entre 30 y 50. A

mayor valor de gggg mayor proteccin. En los antiguos pararrayos de

carburo de silicio (SiC), y estaba comprendido entre 2 y 6.

: es un parmetro caracterstico del material, del proceso de

fabricacin y del diseo y es proporcional a la seccin y a la

longitud de los discos de xidos del pararrayos.




4

Cuando la energa a drenar es muy elevada el punto de funcionamiento

del pararrayos pasa a la regin 3. La regin 3 es una zona lineal de densidad

de corriente superior a 0,2 A/mm2 pero inestable trmicamente que puede

conducir a la destruccin del pararrayos.

Ilustracin 2. Caracterstica tensin-densidad de corriente de los pararrayos

Los pararrayos suelen instalarse en zonas estratgicas de la red

(prximos a transformadores, en las conversiones areo-subterrnea y en la

llegada de lneas de subestacin para proteger a la aparamenta), a fin de

evitar el fallo del aislamiento y consecuentemente mantener la continuidad

de servicio.

Los pararrayos de resistencia variable normalmente se construyen sin

explosores y su funcionamiento se caracteriza por los siguientes parmetros:

Tensin de funcionamiento continuo Uc.

Tensin asignada Ur.

Corriente nominal de descarga In.

Capacidad de absorcin de energa (clase 1, 2, 3, 4 o 5).

Nivel de proteccin frente a impulsos tipo rayo Upt




5

Nivel de proteccin frente a impulsos tipo maniobra Ups

Lnea de fuga.

Clase de limitador de presin.

Tensin de funcionamiento continuo Uc, es la tensin eficaz mxima

soportada por un pararrayos de forma permanente que garantiza su correcto

funcionamiento frente a la corriente de las descargas del rayo que se puedan

producir. Se comprueba mediante ensayos segn la norma de obligado

cumplimiento UNE-EN 60099-4.

Tensin asignada Ur, es la tensin eficaz mxima soportada por un

pararrayos durante 10s despus de haber sido sometido a descargas de

corriente segn los ensayos definidos en la norma de obligado cumplimiento

UNE-EN 60099-4.

Los valores normalizados de tensin asignada se indican en la Tabla 1,

en la que puede apreciarse el amplio abanico de escalones discretos de

tensin.

Gamas de Tensin asignadas

(kV eficaces)

Escalones de Tensin asignada

(kV eficaces)

3 30 1

30 54 3

54 96 6

96 288 12

288 396 18

396 756 24

Tabla 1. Tensiones asignadas de pararrayos

En los catlogos de los fabricantes normalmente se facilita la capacidad

de soportar sobretensiones temporales TOVc (Temporary Overvoltages

Capability) que corresponde al valor eficaz de la mxima sobretensin

temporal a frecuencia industrial que soporta el pararrayos durante un

tiempo determinado. En general, los fabricantes de pararrayos proporcionan

el valor de TOVc para 1 s y para 10 s. El valor de TOVc para 10 s suele ser




6

algo superior al valor de la tensin asignada Ur, ya que se define sin

necesidad de aplicacin previamente descargas de corriente.

Corriente nominal In, es el valor de cresta del impulso de corriente

tipo rayo de forma de onda 8/20 (8 s de tiempo de frente y 20 s de

tiempo hasta el valor mitad) utilizada para designar el pararrayos. Los

valores normalizados de la corriente nominal de descarga son 1,5 kA, 2,5

kA, 5 kA, 10 kA y 20 kA.

En la Tabla 2 se presentan los valores normalizados en funcin de la

tensin asignada Ur, del pararrayos. Los pararrayos tambin deben ser

capaces de soportar impulsos de gran amplitud de forma de onda 4/10. La

norma UNE EN 60099-4, asocia para cada valor de corriente nominal In, un

valor de impulso de corriente de gran amplitud que el pararrayos debe

soportar. As, por ejemplo, los pararrayos de corriente nominal de 10 kA

deben soportar 100 kA de onda 4/10 y los de 5 kA deben soportar impulsos

de 65 kA de onda 4/10.

Capacidad de absorcin de energa. Se define para los pararrayos

de corriente nominal de descarga de 10 kA y 20 kA. Existen cinco clases de

descarga de lnea normalizadas: clases 1, 2 y 3 para los pararrayos de 10 kA

de corriente nominal, y clases 4 y 5 para los pararrayos de In = 20 kA.

Para cada una de las clases se define una amplitud y duracin del

impulso de corriente rectangular (corriente de larga duracin) que debe ser

capaz de soportar el pararrayos: los de clase 1 son los que soportan menor

duracin e intensidad, mientras que los de clase 5 son los que pueden

soportar impulsos de corriente de larga duracin ms severos. El fabricante

mediante ensayos en laboratorio, determina la energa capaz de ser

absorbida por el pararrayos por unidad de tensin asignada, kJ/kVr. Bastar

con multiplicar este factor por la tensin asignada del pararrayos Ur para

determinar la energa mxima que es capaz de soportar.

Tensin residual Ures y niveles de proteccin. La tensin residual,




7

Ures, de un pararrayos es el valor de cresta de la tensin que aparece entre

sus bornes durante el paso de una corriente de descarga. La tensin residual

depende de la forma de onda y de la magnitud de la corriente de descarga.

Las tensiones residuales se obtienen para diferentes amplitudes de impulsos

de corriente tipo rayo 8/20 s (por ejemplo. 5 kA, 10 kA, 20 kA) y cuando

se trata de pararrayos de intensidad nominal, In, de 10 kA y 20 kA tambin

para diferentes amplitudes de impulsos de corriente tipo maniobra 30/60

s (0,5 kA, 1 kA, 2 kA).

Los niveles de proteccin del pararrayos se definen tanto para

impulso tipo rayo como para impulsos tipo maniobra:

El nivel de proteccin a impulsos tipo rayo, Up, es el valor de la

tensin residual del pararrayos para la corriente nominal de descarga In,

de onda 8/20 s.

Nivel de proteccin a impulsos tipo maniobra, Ups, es el valor de la

tensin residual del pararrayos para la corriente de impulso tipo maniobra

30/60 para la corriente de descarga 0,5 kA, 1 kA o 2 kA. A falta de un

dato ms preciso, el nivel de proteccin a impulsos tipo maniobra Ups, se

puede tomar igual a 2 veces la tensin asignada Ur.

La norma UNE EN 60099-4 establece las diferentes clases

normalizadas, como curvas caractersticas que relacionan la energa que

el pararrayos es capaz de absorber por unidad de tensin asignada con el

cociente entre el nivel de proteccin frente a onda maniobra, Usp, del

pararrayos y su tensin asignada Ur. Para el valor habitual de Usp/Ur~2 la

energa por unidad de tensin asignada expresada en kJ/kVr coincide con

la cifra que caracteriza la clase 1, 2, 3, 4 o 5, vase la Figura siguiente.

Como excepcin para los pararrayos de clase 4 esta energa es 4,2 kJ/kVr

en lugar de 4 kJ/kVr.




8

Ilustracin 3. Clase energtica de los pararrayos

Lnea de fuga. La lnea de fuga es la longitud medida a lo largo del

permetro del aislamiento externo de un equipo y que caracteriza su

resistencia frente a la contaminacin. La norma UNE EN 60507, define

cuatro niveles de contaminacin: nivel I (ligero), nivel II (medio), nivel III

(fuerte) y nivel IV (muy fuerte). Para cada nivel, la norma establece el valor

mnimo de lnea de fuga especfica, expresado en mm/kVs de la tensin

mxima de la red Us.

Clase delimitador de presin. Es el valor de la corriente de

cortocircuito interno que puede soportar el pararrayos sin destruccin

violenta de su envolvente. Este valor debe ser igual o superior a la mxima

corriente de cortocircuito prevista en el punto de instalacin del pararrayos.

Resulta especialmente peligrosa la destruccin violenta de los pararrayos

con envolvente de porcelana. La clase de limitador de presin, expresada en

kA, se determina mediante un ensayo establecido segn la norma.




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3 CRITERIOS DE DISEO

La seleccin de los pararrayos que protegen a las lneas de alta tensin

se debe realizar siguiendo el siguiente procedimiento:

Paso 1: Seleccin de la tensin de servicio continuo

Los pararrayos deben ser capaces de soportar en permanencia la

mxima tensin de servicio que pueda aparecer en la red:

Para redes con eliminacin automtica de los defectos a tierra:

1,05 3 Para redes con neutro aislado o puesto a tierra por una bobina de

compensacin sin eliminacin automtica de los defectos a tierra:

1,05 Ntese que el factor de 1,05 se aplica para tener en cuenta la presencia

de armnicos de tensin en la red.

Paso 2: Seleccin de la tensin asignada

La tensin asignada de un pararrayos debe elegirse en funcin de las

sobretensiones temporales de la red previstas en su lugar de instalacin,

teniendo en cuenta sus amplitudes y sus duraciones. Se recomienda estudiar

tanto las debidas a faltas a tierra como las debidas a prdidas de carga.

Cuando aparecen sobretensiones temporales las protecciones

convencionales (rels de sobreintensidad, de distancia, diferencial, etc.),

deben ser capaces de despejarlas en un tiempo breve (normalmente inferior

a 1 s). Los pararrayos son capaces de limitar sobretensiones transitorias de

frente rpido o de frente lento, pero no as las temporales, que deben ser

soportadas por los pararrayos hasta la actuacin de las protecciones.

Para poder comparar las sobretensiones temporales de distinta amplitud

y duracin que puede aparecer en la red a fin de valorar la capacidad del




10

pararrayos para soportarlas, la norma UNE establece la siguiente expresin

emprica para determinar la amplitud de una sobre tensin temporal

equivalente de 10 s de duracin.

= 10

donde:

U : amplitud de la sobretensin temporal representativa de duracin T1

Ueq : amplitud de la sobretensin temporal representativa equivalente

de 10 s de duracin.

md: coeficiente que caracteriza la curva sobretensin-duracin del

pararrayos (segn el diseo del pararrayos vara entre 0,018 y

0,022).

La tensin asignada del pararrayos Ur, debe ser superior a la

sobretensin temporal equivalente ms elevada, obtenida aplicando un

margen de seguridad entre el 5% y el 15% a fin de tener en cuenta posibles

imprecisiones en el clculo.

Ntese que si el nivel de proteccin que se obtiene en el paso 5

resultase insuficiente es posible elegir un pararrayos de una tensin

asignada, Ur, inferior al valor resultante mediante el criterio anterior, a

condicin de que el pararrayos sea capaz de absorber la energa producida

por las sobretensiones.

Paso 3: Seleccin de la corriente nominal In

La corriente nominal de descarga se elige en funcin de la corriente tipo

rayo prevista. Para redes de Us72,5 kV, se suelen utilizar pararrayos de 5

10 kA, siendo necesario emplear la corriente nominal mayor cuando la

tensin nominal de la red es ms elevada o la probabilidad de impacto de

rayos es alta (> 1 impacto /aokm2). Para redes de mayor tensin nominal

se utilizan pararrayos de 10 o 20 kA aplicando los mismos criterios.




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Paso 4: Capacidad de absorcin de energa

Los pararrayos de xidos metlicos deben ser capaces de absorber la

energa, W, causada por las sobretensiones transitorias de la red debidas a

la conexin y reenganche de las lneas de gran amplitud, la descarga de un

banco de condensadores o de un cable, si se produce el recebado en la

maniobra de los interruptores o la energa debida a impactos de rayo en

conductores de lneas areas.

Aunque la forma ms apropiada para determinar la energa absorbida

por un pararrayos es mediante estudios numricos mediante la simulacin

del sistema y analizando la energa puesta en juego a travs del pararrayos

para las diferentes solicitaciones, la norma UNE EN 60099-5, establece tres

expresiones analticas simplificadas para estimar la energa de cada una de

estas solicitaciones:

Energa debida a la conexin y reenganche de lneas de alta tensin:

= 2 |!"| donde:

Ups: nivel de proteccin del pararrayos frente a onda maniobra.

U1: amplitud de la sobretensin a tierra debida a la conexin y

reenganche de la lnea evaluada.

Tw: tiempo de propagacin de la sobretensin a lo largo de lnea,

calculada como cociente entre la longitud de lnea que recorre la

sobretensin y la velocidad de propagacin de la onda por la lnea.

|!"|: mdulo de la impedancia caracterstica de la lnea. Energa debida a la maniobra de condensador o cable:

= 12 # $3"%& 2'&( donde:

C: capacidad del banco de condensadores o del cable.




12

"% :cresta de la tensin de servicio entre fase y tierra. ' : tensin asignada del pararrayos. Energa debida al impacto de una rayo:

= )2 * +, , -1 + ln -*,112 ,'|!"333|

donde:

Upl : nivel de proteccin a impulsos tipo rayo del pararrayos.

Uf : tensin de cebado en polaridad negativa del aislamiento de la lnea.

|!"333|: mdulo de la impedancia caracterstica de la lnea. Nl = nmero de lneas conectadas al pararrayos.

Tr = duracin equivalente de la corriente de un rayo que comprende la

descarga principal y las descargas subsiguientes, habitualmente se

toma 300 s.

Si la absorcin de energa requerida es mayor a la capacidad de

absorcin de energa del pararrayos seleccionado se incrementar la clase

del pararrayos, en caso de no existir clase energtica suficiente para la

corriente nominal elegida, se elegir un pararrayos con un valor superior de

corriente nominal In y en caso de no ser posible, la ltima opcin sera

aumentar la tensin asignada del pararrayos Ur, a condicin de que los

niveles de proteccin sean aceptables.

Paso 5. Niveles de proteccin, tensiones soportadas de

coordinacin y mrgenes de proteccin

El nivel de proteccin a impulsos tipo rayo, Upi, es el valor de la tensin

residual, Ures, en bornes del pararrayos para la corriente nominal de

descarga In. Sin embargo, la sobretensin mxima que puede llegar al

objeto a proteger y que debe ser soportada por ste, Ucw (tensin soportada

de coordinacin), puede ser muy superior debido al efecto de ondas viajeras

y reflexiones por cambio de impedancia caracterstica en el punto de

conexin de la lnea area con el equipo o material protegido (cable aislado,




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transformador, etc.). Consecuentemente la tensin soportada de

coordinacin, Ucw, depende de la distancia al pararrayos, o lo que es lo

mismo, depende del tiempo que el rayo tarda en llegar desde el pararrayos

al aislamiento que protege.

= , + 4+, 56 + 6* Donde:

Upl: nivel de proteccin a impulsos tipo rayo.

l: distancia de separacin hasta el pararrayos.

Nl: nmero de lneas.

Lsp: longitud del vano en cuyo extremo est conectado el pararrayos.

Lf: tramo de longitud de lnea para que la tasa anual de fallos

corresponda con la tasa marcada como aceptable Ra, calculada segn

la frmula siguiente:

6* = 78+9 Donde:

Ra: tasa de fallo aceptable (fallos/ao)

Ncb: tasa anual total de cebados (fallos /ao.km).

A: parmetro que viene dado segn la naturaleza de la lnea.

Lneas de distribucin con crucetas puestas tierra 900 lneas con apoyos de madera 2700

Lneas de transporte de un solo conductor 4500 de doble haz 7000 de cudruple haz 11000 de haz con seis u ocho conductores 17000

Partiendo de la tensin soportada de coordinacin obtenida Ucw, el

aislamiento del material a proteger debe aguantar una tensin soportada




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especificada mayor Urw, con el propsito de tener un cierto margen de

proteccin. El margen mnimo de proteccin exigido por la norma es 1,15. A

nivel prctico la mayor parte de compaas exigen que el valor de la tensin

soportada Uw por los aislamientos sea, al menos, 1,2 veces de la tensin

soportada de coordinacin calculada.

' 1,15 1,2

Paso 6. Eleccin de la lnea de fuga

Debe seleccionarse el nivel de contaminacin ms apropiado segn el

lugar de instalacin del pararrayos. La lnea de fuga mnima lt, para un nivel

de contaminacin determinado se obtiene multiplicando la lnea de fuga

especfica le, correspondiente al nivel de contaminacin considerado por la

tensin ms elevada de la red Us:

5 = 5 La lnea de fuga del aislamiento externo del pararrayos deber ser igual o

superior a la lnea de fuga determinada.




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4 CLCULOS PARA LA SELECCIN DE LA AUTOVALVULA

Ahora vamos a proceder a realizar los pasos anteriores para elegir el

pararrayos ms indicado para este proyecto.

Paso 1.

1,05 3 = 1,05 1453 = 87,9?@ Paso 2.

= 10

ABCDEFGHGIJKLMNONPJQKPRKMSB5OBBOQNMMB = ? 3 = 1,4 1453 = 117,2?@JKLMNONPJQKPRKMRNMUQUBUNVBMWB = 1,2 3 = 1,2 1453 = 100,5?@

= 117,2 110X,X& = 111,9?@

Debe cumplir:

' 1,05 ' 117,52?@ Paso 3.

Al tratarse de una red de tensin donde 72,5?@ con alta densidad de impactos de rayo (>1 impacto/ao km2), la corriente nominal de

descarga q elegimos es de 10kA.

Y = 10?4 ' 117,52?@

Con estas condiciones elegimos un pararrayos donde ' = 120?@ Paso 4.

Energa debida a la conexin y reenganche de lneas de alta tensin:

= 2 |!"| Donde:

= 2 ' = 2 120 = 240?@




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= 2,523 = 2,523145 = 296?@ = 5KPW[N5. KPUB = 3500300 = 11,7]J

|!"| = 230 = 2 |!"| = 2 240_296 240` 11,7230 = 1367a

Energa debida a la maniobra de condensador o cable:

= 12 # $3"%& 2'&( # = 0,29 3 = 0,87]b

"% = 23 = 23145 = 118,4?@ = 12 0,87 $_3 118,7`& 2 120&( = 42,35?a

Energa debida al impacto de una rayo:

= )2 * +, , -1 + ln -*,112 ,'|!"333|

* = 650?@_MNcdQJQOKJUN5BUQJOMQLdQUKMB` , = 367?@_VBMBVONMQJOQVBUN5BBdOK[B5[d5BJNWdPVBOB5KWKeQK gMBJJ`

+, = 1 ' = 300]J

= h2 650 1 367 1 + ln 650367i 367 300230 = 225?a Elegiremos una autovalvula del tipo PVI-LP o PVN las cuales absorben la

siguiente energa (adquirido del catlogo Ohio-Brass).

Tipo PVI-LP: 3,4 = 281?a Tipo PVN: 4,9 = 431?a Se elije la primera opcin dado que se ajusta mas a las caractersticas

de los requisitos calculados.




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Paso 5.

= , + 4+, 56 + 6* = 367 +9001 5_260 + 125` = 385,7?@

6* = 78+9 = 0,00250,02 = 0,125?A = 125A Comprobacin:

1,2 = 650385,7 = 1,68 1,2 Paso 6.

5 = 5 = 25AA?@ 145 = 3625AA > 4724AA_VBMBVO. BdOK[B5[d5B` Por consiguiente el pararrayos seleccionado, es el que cumple con las

exigencias anteriores, siendo el pararrayos Ohio-Brass PVN 312903-3001,

con las siguientes caractersticas segn su ficha tcnica mostrada a

continuacion.




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seleccion pararrayos

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