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Universidad de Costa RicaFacultad de Ingeniera
Escuela de Ingeniera Elctrica
IE 0502 Proyecto Elctrico
Determinacin de la localizacin y la seleccinptima de pararrayos para un sistema de
distribucin elctrica de media tensin.
Por:Antonio Valverde Muoz
Ciudad Universitaria Rodrigo FacioJulio de 2010
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Determinacin de la localizacin y la seleccinptima de pararrayos para un sistema de
distribucin elctrica de media tensin.
Por:Antonio Valverde Muoz
Sometido a la Escuela de Ingeniera Elctrica
de la Facultad de Ingeniera
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________Ing. Luis Fernando Andrs Jcome
Profesor Gua
______________________________ ______________________________Ing. Marta Garro Rojas Ing. Wagner Pineda Rodrguez
Profesor lector Profesor lector
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DEDICATORIA
A Dios, San Jos de Cupertino y al Divino Nio, as como a mis padres,
hermanos y abuelos, que me formaron y apoyaron en todos estos aos de estudio.
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RECONOCIMIENTOS
Al ingeniero Luis Fernando Andrs Jcome, por permitirme desarrollar este
proyecto bajo su gua y supervisin.A la ingeniera Marta Garro Rojas y al ingeniero Wagner Pineda Rodrguez, por
su valioso aporte en el desarrollo de esta investigacin.
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INDICE GENERAL
ndice de figuras __________________________________________ vii
ndice de tablas ____________________________________________ ix
Nomenclatura ______________________________________________x
Resumen__________________________________________________ xi
Captulo 1: Introduccin _____________________________________1
1.1 Objetivos______________________________________________________________ 2
1.1.1 Objetivo general _________________________________________________________21.1.2 Objetivos especficos______________________________________________________2
1.2 Metodologa ___________________________________________________________ 3
Capitulo 2: Desarrollo Terico_________________________________4
2.1 Distribucin Elctrica en Costa Rica. ______________________________________ 4
2.1.1 Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A. ________________________________________7
2.2 Descargas Atmosfricas. _________________________________________________ 8
2.3 Efectos Principales de las Descargas Atmosfricas. __________________________ 12
2.3.1 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Directas____________________________12
2.3.1.1 Rayos directos sobre lneas sin hilo guarda _____________________________________13
2.3.1.2 Rayos directos sobre lneas con hilo guarda. ____________________________________17
2.3.2 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Indirectas __________________________22
2.4 Equipos de Proteccin. _________________________________________________ 24
2.3.1 Hilo Guarda y Pararrayos.____________________________________________________25
Capitulo 3: Anlisis de la Normativa Actual_____________________31
3.1 Seccin 6 de la norma IEEE C62.22, Proteccin de Sistemas de Distribucin. ____ 35
3.2 Seccin 8 de la norma IEEE 1410, gua para el mejoramiento del comportamiento
bajo descargas tipo rayo en las lneas areas de distribucin elctrica. _____________ 67
Capitulo 4: Comportamiento de las descargas atmosfricas dentro del
rea de concesin de la CNFL ________________________________71
4.1 Densidad de Descargas Atmosfricas a Tierra.______________________________ 71
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4.2 Informes de la Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas Atmosfricas _ 73
4.3 rea Servida por la Compaa Nacional de Fuerza y Luz, S.A. ________________ 79
Capitulo 5: Pararrayos Comerciales ___________________________87
5.1 Principales Fabricantes _________________________________________________ 87
5.2 Datos principales de las hojas de fabricante.________________________________ 90
Capitulo 6: Procedimiento General y Criterios de Seleccin de
Pararrayos _______________________________________________100
6.1 Determinacin del mnimo MCOV del Pararrayos _________________________ 100
6.2 Revisin de la TOV posible en el sistema__________________________________ 100
6.3 Normal Duty vs. Heavy Duty ___________________________________________ 102
6.4 Verificacin de los Mrgenes de Proteccin _______________________________103
Capitulo 7: Conclusiones y Recomendaciones __________________110
Bibliografa ______________________________________________112
Anexos __________________________________________________114
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ndice de figuras
Figura 2. 1 Distribucin elctrica en Costa Rica por cada empresa _____________________________5
Figura 2. 2 Distribucin porcentual de clientes por empresa___________________________________6
Figura 2. 3 Distribucin Porcentual de Ventas por Empresa___________________________________7Figura 2. 4 rea Servida por CNFL. S.A, por Cantones_______________________________________8
Figura 2. 5 Fotografa de nube cmulos-nimbos ____________________________________________9
Figura 2. 6 Representacin de la separacin de cargas en lo interno de la nube. __________________10
Figura 2. 7 Representacin grfica de la produccin de una descarga atmosfrica ________________11
Figura 2. 8 Descarga directa sobre la lnea _______________________________________________12
Figura 2. 9 Representacin grfica de la estructura_________________________________________14
Figura 2. 10 Representacin de un rayo en la punta de la torre; diagrama de celosas para la tensin. 16
Figura 2. 11 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la torre de una lnea
sin hilo guarda______________________________________________________________________17
Figura 2. 12 Diagrama de celosas para la tensin Vtt en una lnea con hilo guarda _______________20
Figura 2. 13 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la estructura de una
lnea con hilo guarda ________________________________________________________________21
Figura 2. 14 Representacin Grafica de una Descarga Indirecta ______________________________22
Figura 2. 15 Consideracin de la descarga de forma vertical en el plano de coordenadas___________23
Figura 2. 16 Efecto de la cantidad de hilos guarda en la Lnea ________________________________26
Figura 2. 17 Angulo de Apantallamiento del Hilo Guarda____________________________________26
Figura 2. 18 Efecto de la resistencia de puesta a tierra sobre el desempeo del hilo guarda contradescargas directas___________________________________________________________________27
Figura 2. 19 Pararrayos tipo descargador ________________________________________________28
Figura 2. 20 Pararrayos de xidos Metlicos sin Explosores _________________________________29
Figura 2. 21 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Derivacin_____________________29
Figura 2. 22 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Serie__________________________30
Figura 3. 1 Montaje de pararrayos para CNFL, S.A.________________________________________32
Figura 3. 2 Montaje de pararrayos para el ICE ____________________________________________33
Figura 3. 3 Curva tpica de TOV para un pararrayos sin explosores MOV _______________________ 40
Figura 3. 4 Clculo del COG.__________________________________________________________41
Figura 3. 5 Ejemplo de curva TOV tpica, con energa previa absorbida del sistema _______________42
Figura 3. 6 Anexo E de la norma con banco estrella delta sin aterrizar ________________________ 49
Figura 3. 7 Anexo E de la norma, mostrando el efecto del backfeed en la conexin estrella delta sin
aterrizar___________________________________________________________________________50
Figura 3. 8 Anexo F de la norma, doble transformador ______________________________________51
Figura 3. 9 Anexo C de la norma, efecto de la distancia entre el pararrayos y el equipo ____________57
Figura 3. 10 Localizacin de los pararrayos con respecto al fusible protector ____________________ 58
Figura 3. 11 Interconexin a tierra______________________________________________________58Figura 3. 12 Efecto de una sobre tensin en la transicin del circuito areo a subterrneo __________62
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Figura 3. 13 Proteccin en el lado secundario del transformador______________________________65
Figura 3. 14 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin contra descargas directas. __68
Figura 3. 15 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin contra descargas indirectas. _69
Figura 4. 1 Mapa de descargas mundial en impactos / km2 /ao _______________________________72
Figura 4. 2 Ejemplo de la disposicin de los sensores utilizados para la deteccin de las descargas___73 Figura 4. 3 Mapa de Descargas para la semana del 19 al 25 de abril del 2010 [10] _______________74
Figura 4. 4 Mapa con la distribucin espacial de las descargas [10] ___________________________76
Figura 4. 5 Mapa con Das de Tormenta para la semana del 19 al 25 de abril del 2010 [10] ________78
Figura 4. 6 rea Servida, en distritos, por la CNFL, S.A ____________________________________80
Figura 4. 7 Mapa ilustrativo con densidades de descargas para cualquiera de los aos en estudio [10] 81
Figura 4. 8 Mapa con densidad de descargas para el ao 2008 [10] ___________________________82
Figura 4. 9 Mapa con densidad de descargas para el ao 2009. [10] ___________________________ 82
Figura 4. 10 Histograma de Frecuencias para el ao 2009 [10] _______________________________83
Figura 4. 11 Histograma de Frecuencia para el ao 2008 [10]________________________________83Figura 4. 12 distribucin espacial de las descargas para la semana del 19 al 25 de abril del 2010 [10] 84
Figura 4. 13 Corrientes de descarga para pararrayos de distribucin, segn norma de la IEEE _____85
Figura 5. 1 Familia de pararrayos ABB __________________________________________________ 88
Figura 5. 2 Diferentes tipos de pararrayos Cooper _________________________________________89
Figura 5. 3 Sobretensin temporal @ 60C [11] ___________________________________________92
Figura 5. 4 Curva TOV para el PVR, PDV100 y PDV65 de Ohio-Brass [12] _____________________93
Figura 5. 5 Coordinacin de Aislamiento para pararrayos PDV100-Optima en sistema de 34.5 kV [12]95
Figura 5. 6 Calculo de mrgenes mediante hoja de Excel.____________________________________96
Figura 5. 7 Introduccin de los datos generales del sistema en la hoja de clculo _________________97
Figura 5. 8 Pararrayos recomendados por la hoja de clculo _________________________________97
Figura 5. 9 Comparacin de tensiones de descarga para las diferentes recomendaciones de la
herramienta de Excel. ________________________________________________________________98
Figura 5. 10 Comparacin de los mrgenes de proteccin para las diferentes recomendaciones de la
herramienta de Excel. ________________________________________________________________99
Figura 6. 1 Comparacin del TOV del sistema con la curva TOV del pararrayos [13]_____________101
Figura 6. 2 Curva representativa de los mrgenes de proteccin para la coordinacin de aislamiento.105
Figura 6. 3 Ejemplo de la colocacin correcta del pararrayos con respecto a los fusibles cortacircuitosrespetando las distancias. ____________________________________________________________105
Figura 6. 4 Flameos relacionados con el espaciamiento entre pararrayos de lnea _______________107
Figura 6. 5 Proteccin del lado de baja del transformador __________________________________108
Figura 6. 6 Esquema resumen para la seleccin de pararrayos en sistemas de distribucin. ________109
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ndice de tablas
Tabla 3. 1 Tensiones comnmente aplicados a pararrayos del tipo MOV [6] _____________________38
Tabla 3. 2 Caractersticas de proteccin tpicas para pararrayos [6] ___________________________ 39
Tabla 3. 3 Requerimientos en las pruebas para los diferentes tipos de Pararrayos. [6] _____________44
Tabla 3. 4 Distancias mnimas recomendadas con respecto a equipo energizado. [6] ______________59
Tabla 3. 5 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin de descargas directas ________68
Tabla 3. 6 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin contra descargas indirectas.___70
Tabla 4. 1 Rangos de Intensidades de la Corriente pico para la rejilla del mximo. (19 al 25 abril) [10]
__________________________________________________________________________________75
Tabla 4. 2 Resumen de Datos Relevantes del 19 al 25 de abril del 2010 [10] _____________________76Tabla 4. 3 Clasificacin de la severidad dependiendo del valor del GFD [10] ____________________77
Tabla 5. 1 Diferentes modelos de pararrayos de la marca Siemens _____________________________ 89
Tabla 5. 2 Datos principales del pararrayos 3EK7 [11] _____________________________________91
Tabla 5. 3 Pararrayos 3EK7 tpicos para diferentes tensiones, de acuerdo con la norma IEEE std C62.22
[11] ______________________________________________________________________________91
Tabla 5. 4 Caractersticas principales para un pararrayos 3EK7, heavy duty [11]_________________92
Tabla 5. 5 Detalle de las pruebas de corriente para el PDV100 y PDV65 [12]____________________93
Tabla 5. 6 Caractersticas principales para el pararrayos PDV100 de Ohio-Brass [12] ____________94
Tabla 6. 1 Seleccin del factor de falla a tierra segn el tipo de sistema [10] ____________________ 101
Tabla 6. 2 Mrgenes de proteccin tpicos, segn norma IEEE std C62.22______________________103
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Nomenclatura
BIL Nivel bsico de aislamiento al impulso.
BSL Nivel bsico de aislamiento a la conmutacin o maniobra.
CNFL, S.A, Compaa Nacional de Fuerza y Luz, Sociedad Anonima.
COG Coeficiente de aterrizamiento.
ESPH Empresa de Servicios Pblicos de Heredia
GFD Densidad de descargas atmosfricas a tierra.
ICE Instituto Costarricense de Electricidad.
IEC Comisin Electrotcnica Internacional
IEEE Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrnica.
JASEC Junta Administrativa de Servicios Elctricos de Cartago.
LPL Nivel de proteccin a descargas atmosfricas.
MCOV Mxima tensin de operacin continua.
NEMA Asociacin Nacional de Fabricantes Elctricos.
NFPA Asociacin Nacional de proteccin contra fuego.
SPL Nivel de proteccin de maniobra.
TOV Sobretensin temporal.
UL Laboratorio de suscriptores incorporados.
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Resumen
El objetivo principal del siguiente proyecto es realizar un estudio que detalle los
criterios necesarios para la seleccin y ubicacin de pararrayos en un sistema de
distribucin elctrica de media tensin, para lo cul primero fue necesario investigar
acerca de cuales son los fundamentos que rodean la aparicin de las descargas
atmosfricas, as como que tipos de descargas son las ms comunes y cuales son los
efectos principales en los sistemas de distribucin, especficamente en la vida til de los
equipos conectados y en confiabilidad del servicio brindado por la compaa de
distribucin.
Adems se procedi a investigar sobre cuales son las principales normas que
actualmente regulan las pruebas y la aplicacin de pararrayos en los sistemas de
distribucin, con lo que se hizo un anlisis de la norma C62.22 de la IEEE dedicada a la
aplicacin de los mismos.
Tambin se describen los principales componentes dentro de los informes de
descargas por parte de la Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas del ICE,
y se detalla de ellos cuales datos son los ms representativos y utilizables por parte de la
CNFL.
En el capitulo 5 se brinda una descripcin de los datos brindados por algunos
fabricantes reconocidos de pararrayos, y se comparan para un mismo tipo de pararrayosy un mismo nivel de tensin nominal, adems se describe la herramienta de Excel
utilizada actualmente en la CNFL para la seleccin de un pararrayos y para el clculo de
la distancia ideal de conexin de los mismos.
Finalmente se brinda un procedimiento general con los principales parmetros a
calcular y los factores ambientales que se deben tener en cuenta antes de seleccionar un
pararrayos ptimo.
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Captulo 1: Introduccin
Los rayos han sido motivo de temor y respeto durante miles de aos, mucho se
dijo a lo largo de la historia acerca de su origen, y en algunas creencias se les llego a
asociar con un carcter divino o alguna forma de castigo por la conducta humana, todo
esto hasta 1752, ao en que el cientfico estadounidense Benjamin Franklin logr
demostrar mediante un experimento que en las nubes existen cargas tanto positivas
como negativas y que los rayos no son ms que una descarga elctrica entre distintos
puntos de una misma nube, entre dos nubes distintas o bien entre la nube y algn punto
ubicado en la tierra.
Costa Rica es un pas donde las descargas atmosfricas son frecuentes, los
sistemas de distribucin de media tensin no estn exentos de verse afectados por estos
fenmenos, estos sistemas estn compuestos de varios elementos de gran valor, de ah la
importancia de colocar dispositivos que se encarguen de proteger estos componentes.
Estos dispositivos son conocidos como pararrayos y precisamente su funcin es la de
parar o capturar el rayo para conducir la energa de descarga por una trayectoria de baja
impedancia hasta tierra, donde finalmente se disipar toda esta energa.
Internacionalmente existen diferentes estndares y normas sobre los mtodos de
proteccin de estructuras, se quiere entonces en el presente proyecto investigar algunas
de ellas, as como recopilar los diferentes criterios que han sido utilizados hasta la fechapor las diferentes compaas de distribucin nacionales para as poder realizar una
evaluacin de cmo se encuentra nuestro pas en este aspecto.
Todo esto permitir crear un documento que establezca algn protocolo o gua
para la adecuada localizacin y seleccin de pararrayos en el sistema de distribucin, y
que pueda ser aplicado por las compaas distribuidoras, especficamente la Compaa
Nacional de Fuerza y Luz, S,A.
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1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general Realizar un estudio que detalle los criterios necesarios para la seleccin y
ubicacin de pararrayos en un sistema de distribucin elctrica de media tensin
1.1.2 Objetivos especficos Realizar una investigacin bibliogrfica, as como normas internacionales
existentes referentes a la seleccin de un determinado tipo de pararrayo y a la
ubicacin de este.
Recopilar los criterios que se han estado utilizando hasta la fecha por parte dediferentes empresas de distribucin de nuestro pas y determinar si los criterios
existentes son correctos y adecuados.
Hacer una metodologa o gua que contenga los criterios tcnicos para laubicacin de pararrayos y aplicar dicha metodologa al sistema de distribucin
de la CNFL.
Realizar una investigacin sobre el comportamiento de las descargasatmosfricas dentro del rea de concesin de la CNFL y determinar mediante el
estudio de los diferentes modelos de pararrayos en el mercado, el modelo que
mejor se adapta a las condiciones investigadas.
Investigar los diferentes modelos y marcas de pararrayos que ofrece el mercadoen la actualidad para determinar, mediante las caractersticas tcnicas y variables
elctricas de evaluacin cules de estos se ajustan ms a las condiciones
requeridas en el sistema de distribucin de la CNFL.
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1.2 Metodologa
El siguiente proyecto tomar como base inicial una investigacin bibliogrfica,
de todo lo referente al tema de pararrayos y su debida seleccin y ubicacin, as comode las diferentes normas internacionales disponibles con el fin de estudiarlas y observar
en que aspectos concuerdan entre s. Esta etapa de la investigacin se puede realizar
mediante artculos en Internet ya que la informacin ah disponible se espera que sea
bastante amplia, sin dejar de lado las fuentes tradicionales.
Otro aspecto importante de la investigacin ser la obtencin de informacin
mediante entrevistas o consultas a los personeros encargados del diseo de las redes de
distribucin elctrica de las diferentes compaas distribuidoras en nuestro pas,
respecto a cules son los criterios utilizados actualmente para seleccionar y ubicar los
pararrayos en la red.
Se realizar un estudio basado en los informes del ICE referentes a las descargas
atmosfricas dentro del rea de concesin de la CNFL con el fin de determinar cul es el
modelo disponible en el mercado de pararrayos que mejor se adapte a dichas
condiciones, basados en caractersticas tcnicas y variables elctricas.
Una vez recopilada y analizada dicha informacin se proceder a detallarla en
una gua o en un protocolo que resuma dichos criterios tcnicos y que pueda ser
aplicable en la Compaa Nacional de Fuerza y Luz, S.A., para futuros diseos.
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Capitulo 2: Desarrollo Terico
2.1 Distribucin Elctrica en Costa Rica.
Al hablar de los orgenes de la distribucin elctrica en Costa Rica es necesario
remontarse al 9 de agosto de 1884, cuando al encender 25 luminarias en la Capital, San
Jos se convirti en la primera ciudad latinoamericana, y en la tercera del mundo, en ser
iluminada mediante la energa elctrica. Est hazaa se logro gracias a la primera planta
hidroelctrica llamada Aranjuez y ubicada en el centro de la capital, posterior a est
numerosas obras fueron concretadas en todo el pas, muchas de ellas por parte de lasmunicipalidades y otras por medio de capital privado, nacional y extranjero.
El negocio de la generacin y distribucin de la energa elctrica se torno muy
atractivo, y en 1928 la empresa estadounidense The Electric Bond and Share
monopoliz el mercado principal correspondiente al centro del pas, y no fue del agrado
de muchos sectores ya que est se enfocaba en optimizar las ganancias con un mnimo
costo y como consecuencia se gener una crisis energtica importante. Posteriormente
en 1949 se da la creacin del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) que inicia un
proyecto nacional de electrificacin para suministrar energa a los centros urbanos de la
zona central, as como a las zonas urbanas del resto del pas, adems se inicio la
unificacin de toda la capacidad instalada en un solo sistema de transmisin, Sistema
Nacional Interconectado, lo que permiti impulsar la distribucin que ya para el ao
2000 corresponda a 14,531 km. de lneas instaladas.
Numerosas empresas son las que han querido incursionar en el mercado de la
distribucin elctrica a lo largo del territorio nacional, sin embargo en la actualidad las
empresas encargadas de esta labor son las siguientes: Instituto Costarricense de
Electricidad (ICE), la Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A (CNFL S.A), Empresa
de Servicios Pblicos de Heredia (ESPH), La Junta Administrativa de Servicios
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Elctricos de Cartago (JASEC), as como las cooperativas de electrificacin rural
COOPEGUANACASTE, COOPESANTOS, COOPELESCA y COOPEALFARO. La
distribucin del territorio nacional por parte de estas empresas se muestra en la siguiente
figura.
Figura 2. 1 Distribucin elctrica en Costa Rica por cada empresa
Como es evidente una gran parte de la distribucin elctrica, en cuanto a
territorio, le corresponde al ICE, en la siguiente tabla se representa a las diferentes
compaas por cantidad de clientes, y se observa como la CNFL tiene un porcentaje
importante que la ubican en el segundo puesto precisamente detrs del ICE.
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Distribucin porcentual de clientes por empresa (2009)
4,38%
4,95%
34,21%
43,26%
4,66%
5,58%
0,43%
2,52%
ICE
CNFL
ESPH
JASEC
C.GUANACASTE
COOPELESCA
C.SANTOS
C.ALFARO
Figura 2. 2 Distribucin porcentual de clientes por empresa
Esto debido a que el territorio que tiene en concesin corresponde a gran parte
del centro del pas que como se sabe es una zona en crecimiento y con un nmero
considerable de habitantes, lo cual se puede notar al analizar el siguiente grfico que
muestra la distribucin porcentual pero de ventas, aqu la CNFL es la que vende ms
con un 39.49% mientras que el ICE se ubica muy cercana con un 39.35%, para el caso
de las otras empresas la relacin es bastante similar a lo que resultaba para el caso de
clientes.
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Distribucin porcentual de ventas por empresa (2009)
4,07%
3,99%
39,49%
39,35%
5,80%
5,65%
0,26%
1,39%
ICE
CNFL
ESPH
JASEC
C.GUANACASTE
COOPELESCA
C.SANTOS
C.ALFARO
Figura 2. 3 Distribucin Porcentual de Ventas por Empresa
2.1.1 Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A.
El 27 de abril de 1941, cuando se suscribe el contrato entre el Servicio Nacional
de Electricidad, La Compaa Nacional de Electricidad, La Compaa Nacional
Hidroelctrica S.A y The Costa Rica Electric Light and Traction Company, marca el
nacimiento de la Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A. (CNFL S.A.). El 8 de abril
de ese mismo ao se logra una concesin que actualmente rige hasta el 2018. Otra fecha
a resaltar en la historia de la CNFL sera el ao 1970, cuando se suscribe un acuerdo de
cooperacin mutua con el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE).
Hasta diciembre del 2008 el rea servida por la compaa comprenda 903 km2
del rea metropolitana, sumando un total de 480.090 clientes distribuidos en un rea de
cobertura que cubre gran parte de las cuatro provincias centrales de nuestro pas
(Alajuela, Cartago, Heredia y San Jos) en un total de 25 cantones y aproximadamente
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106 distritos, que puede ser observada en la figura que se muestra a continuacin,
registrando un total de electrificacin del 99.79% de dicha rea.
Figura 2. 4 rea Servida por CNFL. S.A, por Cantones
Todo esto lo realiza gracias a un sistema de distribucin comprendido por 23
subestaciones, 126 alimentadores y que hasta enero del 2009 contaba con 2.974 km. en
lneas de distribucin primaria, y 2.836 km. en lneas de distribucin secundaria.
2.2 Descargas Atmosfricas.
En electricidad se entiende por descarga al paso de una corriente elctrica entre
dos puntos, producido por una diferencia de potencial entre estos, para que esto sea
posible debe existir un medio o un canal, ya sea slido, lquido o gaseoso. El objetivo de
la descarga consiste en precisamente equilibrar dicha diferencia de potencial. En la
naturaleza se da un equivalente y este corresponde a las descargas atmosfricas, donde
se da un campo elctrico entre dos puntos de una misma nube, entre dos nubes
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diferentes o bien los que nos preocupan entre una nube y tierra. Estos ltimos se pueden
dar en varios tipos, ya sea de nube a tierra o de tierra a nube, siendo los primeros los
ms comunes.
Esta claro que no todas las nubes ocasionan rayera, esto debido a que en un
cielo sin tormenta las cargas estn uniformemente distribuidas y por lo tanto la carga es
neutra, sin embargo durante una tormenta elctrica las cargas dentro de las nubes se
podra decir que de alguna manera se separan, y si se quisiera modelar una tormenta
elctrica con el fin de entender el comportamiento de esta, se recurre al modelo ms
utilizado correspondiente a una distribucin bipolar en la nube con un puado de cargas
positivas en el tope y otro de cargas negativas en la base.
Figura 2. 5 Fotografa de nube cmulos-nimbos
Existen varias teoras que involucran el papel del campo elctrico terrestre en la
generacin de las cargas, sin embargo aqu se detalla la relacionada con la precipitacin
y la conveccin de partculas dentro de la nube. Bsicamente por una alta actividad de
conveccin con fuertes corrientes ascendentes y descendentes en la atmsfera que
involucra la transferencia de calor, se van formando nubes con gran desarrollo vertical,
conocidas como cmulos-nimbos, que provocan gotas de gran tamao que no pueden
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ser mantenidas por las corrientes ascendentes, sino que por gravedad descienden e
interaccionan con las partculas de menor tamao que vienen en ascenso. De esta
interaccin se produce la separacin de cargas, donde las partculas de mayor tamao se
cargan negativamente y continan el descenso, y las de menor tamao se cargan
positivamente y se dirigen hacia arriba. Todo esto se puede observar mejor en la
siguiente figura.
Figura 2. 6 Representacin de la separacin de cargas en lo interno de la nube.
Una vez que la carga negativa en la parte inferior de la nube es lo
suficientemente fuerte como para vencer la resistencia del aire, se dar un flujo de
cargas negativas de nube a tierra y de cargas positivas de tierra hacia las nubes, por lo
general a travs de un rbol, edificio, poste o algn punto que este elevado.
Este fenmeno es el que se conoce con el nombre de rayo o relmpago y es
visible al ojo humano, lo que no es posible para este es diferenciar entre las mltiples
descargas que se dan lugar, ya que por lo general constan de tres o cuatro en intervalos
de centenas de milisegundos.
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Figura 2. 7 Representacin grfica de la produccin de una descarga atmosfrica
Un parmetro a tomar en cuenta referente a las descargas atmosfricas, es la
Densidad de Descargas Atmosfricas (GFD o Ng), que se define como el numero de
descargas por unidad de rea y por ao para una determinada regin geogrfica, este
dato normalmente se toma como un promedio a largo plazo y debera tomar en cuenta
las diferentes variaciones, ms que todo climticas, que se presentan en un ao y que
pueden influir en el valor del GFD. Este parmetro es importante en el diseo de las
instalaciones, ya que proporciona informacin til acerca del comportamiento histrico
de las descargas atmosfricas en una regin, y como es de suponer el rendimiento, as
como los posibles daos de las lneas y consecuentes interrupciones del servicio
elctrico estn ntimamente relacionados con la presencia de rayos en las instalaciones,
o cercanos a estas.
Ms adelante en el desarrollo de este proyecto se detallar ms este tema, con el
fin de analizar la zona de concesin de la CNFL. Se debe aclarar antes, que un valor
bajo de GFD para una regin determinada no es garanta de una ausencia de problemas
relacionados con descargas, por lo que se debe buscar siempre un aterrizamiento
adecuado de las lneas de distribucin, as con la seleccin apropiada de los pararrayos
de esta.
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2.3 Efectos Principales de las Descargas Atmosfricas.
El principal efecto de una descarga atmosfrica en las lneas de distribucin, sin
pararrayos, se puede considerar que es la sobretensin producida en los elementos que
la componen, que son elementos de alto valor econmico y que por lo tanto se quieren
proteger, as como evitar los cortes en el servicio, uno de estos elementos son los
aisladores que se ven sometidos a sobretensiones debidas a descargas atmosfricas de
diferentes tipos, para analizar estos efectos mejor, se puede realizar una divisin entre
descargas atmosfricas directas e indirectas.
2.3.1 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Directas
Una descarga atmosfrica se define como directa en la medida que esta impacte
el poste, el hilo guarda o bien el conductor de fase.
Figura 2. 8 Descarga directa sobre la lnea
Un parmetro importante a tomar en cuenta y que se relaciona con el
desempeo, y con la proteccin de los sistemas ya sean de distribucin o de transmisin
es la capacidad de aislamiento, que dicho sea de paso existen diferentes formas de
definirlo, para el caso en inters se utilizar el Nivel Bsico de Aislamiento al Impulso
(BIL), que se define como la capacidad que tienen los elementos de un sistema para
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soportas sobretensiones debidas a descargas atmosfricas o bien operaciones de
conexin y desconexin.
El anlisis de las descargas directas se puede dividir en dos clases, lneas con
hilo guarda, y lneas sin hilo guarda.
2.3.1.1 Rayos directos sobre lneas sin hilo guarda
Si un rayo alcanza de manera directa un conductor de fase, la corriente se divide
en dos mitades iguales, cada una de estas viajando a travs del conductor en ambas
direcciones de la lnea. Las ondas de corriente a su vez producen ondas de tensin
definidas por la siguiente ecuacin:
20 IZV
= (2.1)
Donde I es la corriente del rayo y Z0 es la impedancia propia de la lnea, dada
por ( ) 2/10 /CLZ = , y L y C son la inductancia y capacitancia a tierra por cada metro de
longitud de lnea. Estas ondas viajeras de tensin, por decirlo de alguna forma estresan
al aislador del cual esta suspendido el conductor conforme va llegando al poste, y estos
aisladores se vuelven vulnerables a estas ondas. Si el valor pico de la tensin brindado
por las corriente del rayo, logra hacer que el aislador empiece a conducir a esta corriente
se le llama corriente critica IC de la lnea para un BIL especifico.
02ZBILIC
= (2.2)
Las descargas atmosfricas pueden alcanzar tambin a uno de los postes, en
cuyo caso la corriente fluye a travs de la estructura y sobre la resistencia de la base
(Rtf) que la disipar a tierra. Estimar en estos casos la tensin en el aislador no es tan
sencillo, debido a que no existe un modelo universal, el modelo ms sencillo es en el
que se desprecia el poste, y entonces la tensin de este, incluyendo la del crucero donde
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estn colocados los aisladores, corresponde a la que se da a travs de la resistencia de la
base del poste, V=IRtf, despreciando tambin la tensin en el conductor de fase esta
corresponde a la tensin a travs del aislador. El hecho de despreciar el efecto del poste
es aceptable para postes pequeos, sin embargo un modelo que contemple una torre, con
una altura superior, deber representarla como una lnea de transmisin vertical, por as
decirlo, con una impedancia Zt donde las ondas de corriente y de tensin la atraviesan a
una velocidad vt. La torre estar delimitada en su parte inferior por la resistencia de la
base de la torre, y en su parte superior por una impedancia Z ch que representar el canal
o el medio por el cual fluye el rayo. El aislador entonces tendr en una de sus terminales
una tensin Vca (a tierra) y en su otra terminal la tensin de fase a tierra que pasa por el
conductor. Despreciando esta ltima, la tensin en el aislador Vais ser igual a del
crucero Vca.
Figura 2. 9 Representacin grfica de la estructura
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Una tensin inicial baja por la estructura, Vto, que es igual a( )tIZV tto = ,
donde I(t) es la corriente inicial como funcin del tiempo t. Los coeficientes de
reflexin para la tensin en los dos puntos al final de la torre son:
ttf
ttfr ZR
ZRa
+
=1
(2.3)
tch
tchr ZZ
ZZa
+
=2
(2.4)
En la figura 2.10, tomada del libro The Electric Power Engineering de Grigsby
se muestra el progreso, a lo largo de la torre, de las mltiples ondas de tensin
reflejadas. En este diagrama se detalla la posicin y la direccin del movimiento de las
ondas para cada incidente, reflejado, para cada instante de tiempo. Obsrvese como, si
la altura de la torre y la altura del crucero son h t y hca, respectivamente, y la velocidad
con que la onda se desplaza a lo largo de la torre, como ya lo habamos mencionado, es
vt, entonces el tiempo que le toma viajar a la onda desde la parte ms alta de la torre,
hasta su base es de ttt vh /= , y el tiempo de viaje entre el crucero y la base de la torre
es tcaca vh /= .
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Figura 2. 10 Representacin de un rayo en la punta de la torre; diagrama de celosas para latensin.
En cuanto a la figura, las dos lneas de los bordes representan las posiciones de
la punta de la torre, y la base de la misma, respectivamente, mientras que la lnea
punteada indica la posicin del crucero. Le toma a la onda ( cat ) segundos alcanzar
el crucero una vez que el rayo alcanz la parte ms alta de la torre en t=0, este momento
se representa mediante el punto 1, de manera similar, la primera onda reflejada desde la
base de la torre (punto 2) alcanza el crucero en el tiempo catt += . La primera onda
reflejada desde la parte superior de la torre (punto 3) alcanza el crucero en el tiempo
catt = 3 , de esta forma se puede establecer que las ondas que descienden por la
torre alcanzarn el crucero en ( ) catnt = 12 , mientras que las que ascienden por la
torre lo harn en ( ) catnt += 12 , donde n=1,2,3.n. As entonces la tensin en el
aislador Vca, esta dado por:
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( ) ( ) ( )( ) ( )( )
( ) ( )( ) ( )( )catcatto
nn
nrrr
catcatto
nn
nrrca
ntuntVaaa
ntuntVaatV
+++=
=
=
1212
1212
1
1211
1
121
(2.5)
A continuacin en la figura 2.11 se muestra la tensin en el aislador como
consecuencia de un rayo en el poste para una lnea sin hilo guarda. La altura del poste es
de 30m; la altura del crucero es de 27m; altura del conductor de fase 25m; ancho del
crucero 2m; corriente de la descarga atmosfrica 30kA, 1/50s; Zt = 100; Zch=500.
Figura 2. 11 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la torre de unalnea sin hilo guarda
Ntese como para los dos valores de las resistencias de la base del poste (R tf) la
cada de tensin pico en el aislador Vca aumenta con la resistencia, adems se observa
que con el tiempo tiende a igualar a la cada de tensin que se presenta en el camino a
tierra IRtfpero en el pico, es significativamente superior.
2.3.1.2 Rayos directos sobre lneas con hilo guarda.Generalmente estos cables de apantallamiento contra descargas atmosfricas
estn conectados a las torres o a los postes, por lo que ofrecen un camino seguro a tierra
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mediante el camino de baja impedancia colocado en la base del poste, que anteriormente
llamamos Rtf. Algunas veces estos hilos guardas son aislados del poste mediante
aisladores pequeos para prevenir corrientes circulantes. Cuando un rayo impacta un
hilo guarda, este aislador empieza a conducir, conectando a este con la estructura
aterrizada.
Para una lnea con apantallamiento, un rayo puede alcanzar al conductor de fase,
al hilo guarda o bien a la estructura. Si este impacta al conductor de fase pero la
magnitud de la corriente es inferior al nivel de corriente crtica, no ocurre corte. Por otro
lado, si la magnitud de la corriente supera la corriente crtica, entonces el corte de
energa se producir y a esto se le llama una falla de apantallamiento. En todo caso la
corriente critica para lneas con hilo guarda resulta superior a una sin apantallamiento,
esto porque la presencia del hilo guarda aterrizado reduce la impedancia propia de la
lnea. La impedancia caracterstica efectiva de una lnea con un solo hilo guarda esta
dada por la siguiente ecuacin:
22
212
11 Z
ZZZeq = (2.6)
Donde:
=
p
p
r
hZ
2ln6011 (2.7)
=
s
s
r
hZ
2ln6022 (2.8)
=
ps
sp
d
dZ '12
2ln60 (2.9)
Aqu hp y rp son la altura y el radio del conductor de fase, h s y rs son la altura y
radio del conductor hilo guarda, dps corresponde a la distancia entre el hilo guarda y la
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imagen del conductor de fase en tierra y dps es la distancia entre el conductor de fase y
el hilo guarda. Z11 es la impedancia del conductor de fase en ausencia del hilo guarda,
Z22 la impedancia del hilo guarda, y Z12 la impedancia mutua entre ambos conductores.
Para un rayo en el poste, la corriente ser dividida en tres partes: dos partes que
fluirn a travs del hilo guarda para cada una de las direcciones desde el poste, y una
parte que pasar a travs del mismo. As entonces, una cada de tensin menor se
producir en el poste respecto al caso anterior sin hilo guarda, debido a que la corriente
que recorre el poste es inferior. Esta es otra de las ventajas del apantallamiento en las
lneas areas.
El clculo de la tensin del aislador se realiza de manera similar a como se
procedi en el caso anterior, con algunas modificaciones en algunas de las ecuaciones.
Primero, la tensin inicial es igual a IZeq en vez del IZt de las lneas sin hilo
guarda, donde Zeq es la impedancia vista desde el punto de contacto del rayo. Esto se
puede ver como tres impedancias en paralelo y se define a continuacin.
ts
tseq ZZ
ZZZ
+
=
5.0
5.0(2.10)
Donde Zs=60ln(2hs/rs) y corresponde a la impedancia del hilo guarda. Segundo,
la onda de tensin ascendente por la torre despus de ser reflejada por la base de la
misma, encontrar tambin tres ramas en paralelo de impedancias, la impedancia del
canal de la descarga Zch, y las dos impedancias de las dos mitades de los hilos guardas.
Siendo remplazada Zch de la ecuacin para lneas sin hilo guarda por:
chs
chsch ZZ
ZZZ
+
=
5.0
5.0(2.11)
La tensin en el aislador no es igual a Vca como en el caso anterior. La tensin
en el hilo guarda, que es el mismo que el de la punta de la torre, V tt, induce una tensin
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en el conductor de fase. El potencial en el aislador es entonces, la diferencia entre Vca y
esta tensin:
ttspcaais VkVV = (2.12)
Donde kps = Z12/Z22. Se puede decir que este efecto electromagntico reduce la tensin
en el aislador. Lo cual representa otra ventaja del hilo guarda. Para el clculo de Vtt
hacemos uso nuevamente de una figura similar a la que se uso en el caso opuesto.
Obsrvese en la figura que conforme trasladamos hacia arriba el crucero, ca se acerca
tambin a t , y como es obvio, en el topo de la torre tca = . Precisamente en este
punto podemos hacer uso del anlisis anterior para encontrar la expresin que define la
tensin en la punta de la torre, Vtt.
Figura 2. 12 Diagrama de celosas para la tensin Vtt en una lnea con hilo guarda
Obsrvese como excepto la onda 1, los pares ascendente y descendente, (por
ejemplo 2 y 3, 4y 5, etc.) llegan al tope de la torre en el mismo tiempo. Entonces,
haciendo tca = en las ecuaciones del clculo de Vca para lneas sin apantallamiento, y
re-escribiendo at2 como 1+ ar2 se obtiene.
( ) ( ) ( ) ( ) ( )ttto
nn
n rrrttott ntuntVaaaatuVtV +=
= 22
1
1 2112 (2.13)
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tch
chrt ZZ
Zaa
+
=+=
21 22 (2.14)
Donde at2 se conoce como coeficiente de tensin de transmisin. En cuanto a la
tensin del aislador en este caso es similar al caso anterior, sin hilo guarda, sin embargo
en la siguiente figura se puede apreciar como esta se ve significativamente reducida con
respecto al ejemplo presentado anteriormente.
Figura 2. 13 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la estructura deuna lnea con hilo guarda
Esto es posible debido a que la corriente del rayo es dividida en el hilo guarda,
reduciendo la tensin inicial Vto=ItZt, donde ahora It
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2.3.2 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Indirectas
Como se seal en la seccin anterior una descarga directa corresponde a
aquellas que caen sobre alguno de los conductores de fase, el poste o la torre, o bien
sobre el hilo guarda, y se indic adems el efecto que estas ocasionan. Como es de
esperar existen tambin descargas atmosfricas que no golpean directamente el sistema,
que sin embargo pueden llegar a afectar si estn impactan el terreno en las cercanas de
la lnea de distribucin.
Figura 2. 14 Representacin Grafica de una Descarga Indirecta
El efecto principal corresponde a la induccin de tensiones en la lnea como
consecuencia de estas descargas cercanas. Como es de esperarse el clculo de estas
tensiones inducidas requiere de gran manipulacin matemtica, correspondientes a
diferentes mtodos y diferentes aproximaciones a la realidad, como ejemplo de algunas
de ellas el que la distribucin de la carga en el rayo es uniforme, que la corriente del
mismo es rectangular, y que este cae de manera vertical y a su vez que la tierra es
conductora perfecta.
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Figura 2. 15 Consideracin de la descarga de forma vertical en el plano de coordenadas
El desarrollo de estos clculos, si bien es interesante, no corresponde a los
objetivos directos del proyecto, por lo que simplemente se mencionaran los
componentes sustanciales de esta induccin de tensin.
La induccin de tensin en las lneas como consecuencia de Descargas
Indirectas, tienen cuatro componentes principales:
1. Como ya se sabe si un elemento conductor cargado con cargas de un signoespecfico, se acerca a un segundo elemento, las cargas del primero atraern a
las del segundo con signo contrario. De tal modo que si el primer elemento es
una nube cargada positivamente, y esta se acerca despacio a una lnea de
distribucin, en esta ltima se inducirn cargas negativas, hasta este momento y
debido a que el acercamiento se da lentamente no habr ninguna sobretensin en
la lnea, ya que estas se descargan a tierra por medio de la debida conexin a
tierra de los transformadores y dems elementos del sistema, sin embargo en el
momento en esta nube se descargue de forma parcial o total repentinamente, por
medio de un rayo por ejemplo, las cargas en la lnea quedan libres tambin de
manera repentina, generando sobretensiones proporcionales a estas cargas, y por
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ende ondas viajeras de tensin y corriente que se desplazan en ambas
direcciones de la lnea.
2. Como se seal antes, antes de que una descarga atmosfrica se produzca, se danvarias interacciones en la nube, entre nubes o bien entre la nube y tierra. Una de
esas interacciones corresponde precisamente a pequeas descargas o bien la
formacin de un camino ionizado que da inicio en las cargas negativas en la
nube y que tienen como objetivo descender hasta tierra, estos canales ionizados
de descarga se conocen en ingls como leaders, y a los leaders cargados
negativamente se los conoce como stepped leaders. Ahora bien, estos en su
descenso a tierra van formando ramificaciones en el camino, son casi
imperceptibles en comparacin con el relmpago posterior, sin embargo en su
camino van induciendo cargas en la lnea cercana, una vez que estos se ven
neutralizados mediante la descarga o rayo, que ya estos s son perceptibles en
sonido y luminosidad, las cargas inducidas en la lnea se ven liberadas y el
efecto es similar al descrito con la nube en el componente 1.
3. Las cargas residuales en el rayo inducen un campo electrosttico en laproximidad de la lnea, y por lo tanto una tensin inducida en ella.
4. La tasa de cambio en la corriente de la descarga atmosfrica produce una tensininducida en las lneas cercanas.
Cabe sealar que se considera que los efectos de los componentes 1 y 2 son poco
significativos en comparacin con los componentes 3 y 4.
2.4 Equipos de Proteccin.
Para nadie es un secreto que una lnea de distribucin esta expuesta a varios
tipos de perturbaciones para las cuales se vuelven necesarios diferentes elementos que
protejan, tanto a las personas que interaccionan con ellas, as como los equipos que las
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componen. No se puede dejar por fuera en este aspecto la puesta a tierra, que justamente
tiene como objetivo principal que durante condiciones de falla presente un camino,
conexin o conexiones de baja impedancia a tierra, protegiendo as, a las personas y al
equipo conectado, de todas aquellas corrientes de falla o las ocasionadas por fenmenos
transitorios, por ejemplo las descargas atmosfricas.
Se hablar ahora de los elementos protectores en la lnea que de una u otra forma
garantizan la seguridad del sistema y ayudan a mantener la lnea en su funcionamiento
normal. Antes de esto, es importante mencionar, que existen dos tipos de falla
principales de disturbios o perturbaciones en un sistema de distribucin de media
tensin, los que estn relacionados con corrientes de corto, durante fallas simtricas o
asimtricas, y aquellas ocasionadas por descargas atmosfricas donde los principales
elementos de proteccin son el hilo guarda y el pararrayos, ser sobre estos ltimos que
se centrar el siguiente proyecto, y en la siguiente seccin se explica brevemente el
funcionamiento bsico y utilizacin de estos dos dispositivos.
2.3.1 Hilo Guarda y Pararrayos.
Hilo guarda: Corresponde a un hilo que se coloca sobre las fases que de una u otra
manera realice un apantallamiento frente a las descargas atmosfricas, adems este
deber estar aterrizado en cada poste. El objetivo principal del hilo guarda es proteger a
la lnea contra rayos evitando que estos lleguen siquiera a la lnea, para determinar la
mejor ubicacin de estos existen variedad de criterios, uno de los ms populares es el
brindado por Schwaiger que asegura que el apantallamiento brindado por uno o varios
hilos guarda esta determinado por un arco de radio igual a la altura del hilo sobre el
suelo.
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Figura 2. 16 Efecto de la cantidad de hilos guarda en la Lnea
Otro criterio corresponde al ngulo de proteccin que se forma entre el hilo
guarda y los conductores, el cual sugiere un ngulo menor de 40 o 30 entre ambos.
Este criterio tiene como ventaja que requiere alturas menores que las requeridas bajo el
criterio de los radios del arco.
Figura 2. 17 Angulo de Apantallamiento del Hilo Guarda
Es importante recalcar la importancia del aterrizamiento para el funcionamiento
efectivo de este, en la figura siguiente se muestra un ejemplo del efecto de la puesta a
tierra en el desempeo del hilo guarda contra descargas directas, esto para dos tensiones
crticas de flameo (VFIC), donde se puede notar como para una tensin crtica de 350
kV con una resistencia de 25 , se obtienen efectos similares a los obtenidos con un
VFIC de 175 kV con 10 donde aproximadamente un 20% de las descargas directas
ocasionaran flameos.
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Figura 2. 18 Efecto de la resistencia de puesta a tierra sobre el desempeo del hilo guarda contradescargas directas
Pararrayos: Para empezar es bueno mencionar que el funcionamiento bsico de un
pararrayos se puede describir mediante las dos funciones siguientes:
Hacer nada, en el caso de niveles de tensin normales (Conducir corrientespequeas o del todo ninguna corriente.)
Capturar el rayo, y conducir la corriente de descarga o bien durante unacondicin de sobretensin. Sin que se produzca una falla en el sistema.
As entonces, el pararrayos debe contar con una resistencia extremadamente alta
durante condiciones de operacin normales, y una resistencia relativamente baja durante
condiciones de sobretensin en la lnea. Esto es, una relacin no lineal de tensin vs
corriente, o dicho de otra manera una resistencia no lineal.
A inicios de 1930 se utiliz el Carburo de Silicio (SiC) en los pararrayos como
elemento resistivo no lineal, sin embargo este conduca corrientes considerables en
estado estacionario por lo que se tuvo que hacer uso de explosores para contrarrestar
esto.
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Sin embargo algunas limitaciones aparecieron relacionadas con la conmutacin
de proteccin contra sobretensiones, capacidad de descarga de la energa y la capacidad
de liberacin de presin.
Debido a sus caractersticas de descarga vs frecuencia, se dio la necesidad de
buscar su optimizacin, sin embargo perdieron su efectividad, por lo que a principios de
los aos 70 los pararrayos de xidos metlicos fueron desarrollados de manera
comercial. Estos tienen como caracterstica que son mucho ms no-lineales que los de
carburo de silicio conduciendo apenas corrientes en el orden de los mA en condiciones
normales de tensin. Otra caracterstica es que estos estn en capacidad de descargar
mucha ms energa por unidad de volumen que el de SiC, as como la mejora en el
rango de ondas de sobretensin e incluso una disminucin en el peso de estos gracias a
la eliminacin de los explosores, hacindolos ms manejables.
Figura 2. 19 Pararrayos tipo descargador
En sistemas de distribucin comnmente estos son conectados junto con otros
elementos cuya funcin ser la de desconectarlo de tierra en caso de que no este
funcionando como se debe y conduzca bajo situaciones normales. El pararrayos sera
conectado al sistema hasta que alguien de mantenimiento se encargue. Durante este
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periodo ningn cliente habra perdido el servicio pero obviamente el sistema tambin se
encuentra sin proteccin durante este periodo.
Dentro de los pararrayos de xidos Metlicos cabe mencionar que existen
diferentes tipos, sin explosores, con explosores en derivacin o bien con explosores en
serie, donde la diferencia bsica entre ellos esta en los niveles de tensin de descarga a
travs del pararrayos, ya que para estos dos ltimos, con corrientes por encima de cierta
magnitud, la tensin de descarga se ve reducida mediante los explosores en derivacin,
o bien los explosores en serie.
Figura 2. 20 Pararrayos de xidos Metlicos sin Explosores
Figura 2. 21 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Derivacin
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Figura 2. 22 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Serie
Tres parmetros importantes en los descargadores de este tipo son la Tensin
Nominal, la Mxima Tensin de Operacin Continua y la Tensin de Descarga o
Tensin Residual.
Tensin Nominal del Pararrayos: Duty Cycle Voltage (IEEE); Ur (IEC),
corresponde a la mxima tensin permisible entre las terminales del pararrayos, para la
cual el dispositivo fue diseado a operar correctamente bajo sobre tensiones temporales
en las pruebas de servicio (duty test).
Mxima Tensin de Operacin Continua o Permanente: MCOV (IEEE); Uc
(IEC), mximo valor eficaz de tensin que se le puede aplicar a las terminales del
pararrayos de manera continua, suele acercarse al 80% de la tensin nominal.
Tensin de Descarga: tambin denominada como tensin residual por la IEC,
corresponde a la tensin entre las terminales del pararrayos, debida al paso de unacorriente de descarga.
Cabe mencionar que existen gran variedad de tipos de pararrayos de xidos
Metlicos en el mercado, sobre los cuales se detallar ms adelante, as como de los
parmetros que los definen y la normativa que los rige.
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Capitulo 3: Anlisis de la Normativa Actual
Una vez que se tiene claro cual es la funcin del pararrayos en la lnea, as como
su funcionamiento bsico, se debe considerar cual vendra a ser su ubicacin dentro de
la lnea y cual es el modelo, dentro de la amplia variedad ofrecida en el mercado, que
mejor sea adapta a las condiciones presentes en el rea servida por la compaa
distribuidora, en este caso la CNFL.
En la actualidad las empresas dedicadas a la distribucin elctrica en nuestro
pas cuentan con manuales de montaje de los diferentes equipos de proteccin para las
lneas, dentro de los cuales se encuentran incluidos los pararrayos, por ejemplo en el
caso de la CNFL que se colocan siempre que hay un elemento o equipo a proteger, por
ejemplo un re-closer, un transformador, entre otros equipos y esto generalmente por su
alto valor econmico, as como al final de la lnea, donde aparecen corrientes reflejadas
de las cuales la lnea debe ser protegida. Adems se tiene que aproximadamente cada
siete vanos, se coloca un pararrayos en la lnea, tomando en cuenta que entre cada poste
hay cerca de 60 metros se estara colocando un pararrayos cada 420 metros
aproximadamente.
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Figura 3. 1 Montaje de pararrayos para CNFL, S.A.
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Figura 3. 2 Montaje de pararrayos para el ICE
En las figuras 3.1 y 3.2 se muestran de ejemplo el montaje de pararrayos para
lneas trifsicas por parte de CNFL y el ICE. Sin embargo no existe un manual que
especifique donde se deben colocar en la lnea cada uno, ni que criterios aplicar para su
seleccin.
Existen a nivel mundial diferentes organizaciones encargadas de la elaboracin
de normas relacionadas con el diseo, as como con la aplicacin de los pararrayos,
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como por ejemplo el Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), National
Fire Protection Association (NFPA), The National Electrical Manufacturers Association
(NEMA), Underwriters Laboratories Inc (UL), International Electrotechnical
Commission (IEC) y Lightning Protection Institute (LPI) por mencionar algunos. Cada
una cuenta con diferentes normas, donde algunas son bsicamente de diseo y pruebas
mientras que otras incluyen adems normas de seleccin, aplicacin o buenas prcticas
en lo que respecta protecciones contra descargas atmosfricas.
A continuacin se muestran algunas de estas normas, donde destacan las
relacionadas con la seleccin y aplicacin, ya que son los objetivos del proyecto, y
especialmente las relacionadas con pararrayos de xidos metlicos, adems se prestara
principal atencin a las normas de la IEEE, puesto que a estas son a las que se tuvo
acceso en la realizacin del proyecto y son las siguientes.
IEC 60099-4 Metal-Oxide Surge Arresters Without Gaps for A.C Systems IEEE C62.1 Standard for Gapped Silicon Carbide Surge Arresters for AC
Power Circuits IEEE C62.2 Guide for the application of Gapped Silicon Carbide Surge
Arresters for AC Power Circuits IEEE C62.11 Standard for Metal Oxide Surge Arresters for AC Power
Circuits IEEE C62.22 Guide for the Application of Metal Oxide Surge Arresters for
AC Systems* IEEE 1410-1997 Guide for Improving the Lightning Performance of Electric
Power Overhead Distribution Lines* NFPA 780 Installation of Lightning Protection Systems UL 96 Lightning Protection Components UL 96A Installation Requirements for Lightning Protection Systems
De dichas normas se analizarn a continuacin principalmente la seccin 6 de la
IEEE C62.22 correspondiente a Proteccin de Sistemas de Distribucin, ya que es
una gua de aplicacin ms que de diseo y se tomara en cuenta tambin la IEEE 1410-
1997 que es una Gua Para Mejorar El Comportamiento Bajo Descargas Tipo Rayo De
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Las Lneas Areas De Distribucin Elctrica. Esto sin dejar de lado la Norma 60099-4
de la IEC.
3.1 Seccin 6 de la norma IEEE C62.22, Proteccin de Sistemas de
Distribucin.
Antes de iniciar con el anlisis de esta seccin de la norma se deben definir
algunos conceptos que sern utilizados con frecuencia en el capitulo, el primero de ellos
corresponde a la mxima tensin de operacin que puede ser aplicada de manera
continua o permanente entre las terminales del pararrayos, esta se trata en la norma de la
IEEE como MCOV por sus siglas en ingls, la IEC por su parte se refiere a esta misma
como Uc, otro termino importante dentro del siguiente captulo corresponde a la tensin
nominal permisible entre las terminales del pararrayos y para las cuales fue diseado, en
la norma se hace referencia a este como duty cycle voltage, y es equivalente al Ur en la
norma de la IEC, por ltimo se tiene la sobretensin temporal o TOV y representa la
tensin por encima del MCOV a la cul el pararrayos puede operar para una
determinada duracin de tiempo, ms adelante se definir mejor cuales son sus
limitaciones y como debe ser comparada con el TOV presente en el sistema.
Se tiene entonces que, en la seccin 6.1 Introduction, como su nombre lo
indica se da una pequea introduccin de lo que son los rayos como los principios
bsicos utilizados para la proteccin de lneas de transmisin aplican tambin para la
distribucin haciendo diferencia en que por lo general las lneas de distribucin no
cuentan con hilo guarda por lo que hay que tomar en cuenta algunas consideraciones.
Tambin se presenta un procedimiento para la estimacin del margen de proteccin,
esto basados en la Densidad de Descargas Atmosfricas GFD y en el valor de corriente
de cresta para condiciones normales. Adems hace referencia a como el costo del
equipo de proteccin de una lneas de distribucin es significativamente inferior
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comparado con la proteccin de una subestacin pero si se toma en cuenta que en
cantidades el equipo a utilizar es bastante, resulta una cantidad a considerar y como
resulta ms factible seleccionar pararrayos que puedan ser utilizados en situaciones
similares, ms all de realizar estudios para situaciones independientes.
En la seccin 6.2 General Procedure se establece el procedimiento general a
seguir y las consideraciones a tomar en cuenta en la seleccin de pararrayos para lneas
de distribucin. Bsicamente dice que el procedimiento general consiste en determinar
primero cual es el MCOV de un pararrayos apropiado de tal forma que pueda ser
utilizado en todos los lugares similares del sistema de distribucin a protegerse.
Adems, la capacidad de TOV del pararrayos no debe ser superado en magnitud ni
duracin (en el total de ciclos acumulados) por cualquier otro TOV del sistema donde el
pararrayos vaya a ser colocado. En pararrayos para sistemas de distribucin, el TOV
generalmente se basa en la mxima tensin fase a tierra que puede ocurrir en las fases
no falladas durante una falla monofsica a tierra.
Otro punto que se menciona en el procedimiento general es la coordinacin de
aislamiento que se discute posteriormente en el punto 6.5 de la norma y que dice de
manera general que para tensiones hasta 15 kV, la coordinacin del aislamiento de los
equipos conectados no ha sido rigurosamente estudiada porque el margen de proteccin
(MP) entre el BIL estndar de los equipos y las caractersticas de proteccin de
pararrayos de distribucin modernos es sustancialmente superior al 20%. La
coordinacin del aislamiento se convierte en una consideracin primordial en sistemas
de distribucin con tensiones superiores, porque se reduce el MP (particularmente
cuando se utilizan valores reducidos de BIL). Adems la coordinacin del aislamiento
tambin puede ser importante para la proteccin de la lnea y para la proteccin de los
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sistemas de distribucin subterrnea, estos se detallarn mejor ms adelante en el
presente captulo.
Un punto importante dentro de esta seccin corresponde al 6.2.1 Installation
practices that jeopardize insulation coordination que menciona aquellas prcticas de
instalacin que ponen en peligro la coordinacin de aislamiento.
o Distancias largas entre la lnea y la terminal de lnea del pararrayos y entre laterminal de tierra del pararrayos y la carcaza del equipo. (ver 6.7.1)
o Largas distancias de separacin entre el pararrayos y el equipo de proteccin(ver 6.7.2)
o Fallas de interconexin entre los pararrayos y las terminales de tierra de losequipos. (vase 6.7.4)
En el punto 6.2.2 se mencionan todas aquellas aplicaciones que requieren
consideraciones especiales, ya sea con respecto a desempeo de los pararrayos o con
respecto a requisitos de proteccin, de estas se hablara ms adelante en el presente
capitulo.
o Los sistemas sin aterrizar.o Los bancos de condensadores.o Los interruptores, reclosers, etc.o Los reguladores de tensin.o Los circuitos subterrneos.o Atmsferas contaminadas.
En la seccin 6.3 Selection of arrester ratings se inicia con la seleccin del
ndice del pararrayos a utilizar. En primer lugar se menciona que los sistemas protegidos
por pararrayos de distribucin generalmente son:
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En estrella o delta de tres hilos, alta o baja impedancia conectados a tierra en lafuente.
Cuatro hilos multi-aterrizados en estrella.
La correcta aplicacin de pararrayos de xido metlico en sistemas de
distribucin requiere el conocimiento de dos cosas:
La tensin mxima de operacin normal del sistema. La magnitud y la duracin de los TOVs en condiciones de funcionamiento
anormales.
Esta informacin es comparada con los ndices de MCOV y la capacidad de
TOV del pararrayos. Se debe tener cuidado de no sustituir pararrayos de silicio de
carburo con descargadores de xido metlico que tienen el mismo ciclo de servicio a
tensin nominal sin primero analizar la magnitud esperada y la duracin de TOVs.
Tabla 3. 1 Tensiones comnmente aplicados a pararrayos del tipo MOV [6]
Cuatro Hilos Tres hilos Tres hilosMultiaterrizado, Estrella ja Impedancia a Tie Alta Impedancia a Tierra
2400 2540 3 (2,55)
4160Y/2400 4400Y/2540 3 (2,55) 6 (5,1) 6 (5,1)
4260 4400 6 (5,1)
4800 5080 6 (5,1)
6900 7260 9 (7,65)
8320Y/4800 8800Y/5080 6 (5,1) 9 (7,65)
12000Y/6390 12700Y/7330 9 (7,65) 12 (10,2)
12470Y/7200 13200Y/7620 9 (7,65) 10 (8,4) 15 (12,7)
13200Y/7620 13970Y/8070 10 (8,4) 15 (12,7)
13800Y/7970 14520Y/8388 10 (8,4) y 12 (10,2) 15 (12,7)
13800 14520 18 (15,3)20780Y/12000 22000Y/12700 15 (12,7) 21 (17,0)
22860Y/12000 22000Y/12701 16 (12,7) 21 (17,0)
23000 24340 30 (24,4)
24940Y/14400 26400Y/15240 18 (15,3) 27 (22,0)
27600Y/15935 29255Y/16890 21 (17,0) 30 (24,4)
34500Y/19920 36510Y/21080 27 (22,0) 36 (29,0)
Tensin Nominal Tensin Mximo
Tensin del Sistema(Vrms)
Tensiones Nominales de Pararrayos (MCOV) comunmente aplicados(kV rms)
La tabla 3.1, extrada de la norma, brinda tensiones nominales de pararrayos de
xidos metlicos comnmente aplicadas en sistemas de distribucin, mientras que en la
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tabla 3.2 se muestran las caractersticas de proteccin de pararrayos de xido metlico
de distribucin.
Tabla 3. 2 Caractersticas de proteccin tpicas para pararrayos [6]
5 kA 10 kA 5 kA 10 kA
3 2,55 11,2 - 17 13,5 - 17 10,2 - 16 9,1 - 16
6 5,1 22,3 - 25,5 26,5 - 35,3 20,3 - 24 18,2 - 25
9 7,65 33,5 - 36 26,5 - 35,3 30 - 33,5 21,7 - 31,5
10 8,4 36 - 37,2 29,4 - 39,2 31,5 - 33, 24,5 - 35
12 10,2 44,7 - 50 35,3 - 50 40,6 - 44 32,1 - 44
15 12,7 54,0 - 58,5 42,0 - 59 50,7 - 52 35,9 - 52
18 15,3 63 - 67 51,0 - 68 58,0 - 60,9 43,3 - 61
21 17 73 - 80 57,0 - 81 64,0 - 75 47,8 - 75
24 19,5 89,0 - 92 68,0 - 93 81,1 - 83 57,6 - 8327 22 94,0 - 100,5 77,0 - 102 87,0 - 91,1 65,1 - 91
30 24,4 107 - 180 85,0 - 109,5 94,5 - 99 71,8 - 99
36 29 125 99,0 - 136 116 83,7 - 125
FOW Tensin de Descarga (8/20 s)
Niveles de Proteccin - Rangos de la IndustriaRangos de Tensin(kV-rms)
Tensin
NominalMCOV
La seccin 6.3.1 nos habla de los valores MCOV de los pararrayos, se debe ser
consiente en que los pararrayos de xidos metlicos estn continuamente expuestos a
altos niveles de tensin de fase. El valor MCOV para un pararrayos es el mximo valor
designado (rms) de tensin que puede ser aplicado sin interrupcin entre los terminales
del pararrayos. En consecuencia, el ndice MCOV debe ser al menos igual a la tensin
mxima de funcionamiento continuo esperado en el lugar donde el pararrayos se va a
colocar.
Pasando a la seccin 6.3.2 se explica la Sobretensin Temporal (TOV) y como
los pararrayos contra sobretensiones son capaces de operar por perodos limitados de
tiempo sobre su MCOV. La cantidad de sobretensin que un pararrayos puede tolerar
con xito, depende de la longitud de tiempo que existe dicha sobretensin. Los
fabricantes pueden describir la capacidad de sobretensin de los pararrayos en forma de
una curva que muestra sobretensin temporal en funcin del tiempo permitido. Una
curva tpica se muestra en la figura 3.3 (Estas curvas son sensibles a la temperatura
ambiente y a la absorcin de energa previa a la sobretensin)
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Figura 3. 3 Curva tpica de TOV para un pararrayos sin explosores MOV
Para garantizar que la capacidad TOV del pararrayos no se supera, el TOV
mximo del sistema debe ser determinado, as como el tiempo mximo que el sistema
opera en ese estado anormal. Este estado de tensin anormal puede tener mltiples
causas, por ejemplo: sobretensiones en una fase no fallada durante una falla monofsica
a tierra, transitorios de conmutacin y ferroresonancia.
En el caso de la sobretensin debida a una falla monofsica a tierra, la norma permite multiplicar la tensin de lnea mxima de operacin (fase-fase) por el
coeficiente de aterrizamiento (COG). En la figura 3.4 se detalla el clculo tomado de la
norma. Se debe sealar que dicho mtodo se basa en la utilizacin redes de secuencia e
impedancias equivalentes vistas desde el punto donde ocurre la falla.
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Figura 3. 4 Clculo del COG.Donde:
R0 Resistencia de secuencia cero.
R1 Resistencia de secuencia positiva.
R2 Resistencia de secuencia negativa.
X0 Reactancia de secuencia cero.
X1 Reactancia de secuencia positiva.
X2 Reactancia de secuencia negativa.
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Durante este tipo de falla, el pararrayos se somete a un TOV cuya duracin est
en funcin de los tiempos de funcionamiento de los rels de proteccin y dispositivos de
interrupcin de falla. El MCOV del pararrayos seleccionado debe ser lo suficientemente
alto para que ni la magnitud ni la duracin de la TOV relacionada con la falla excedan
la capacidad del mismo.
En la seccin 6.3.2.1 Aplicacin de pararrayos en sistemas de distribucin se
hace referencia al uso de la curva TOV, donde bsicamente se toman dos valores, segn
la seccin 5.3.2 y tomando como ejemplo la figura 3.5, de la curva superior se puede
obtener el valor del tiempo permisible al cual puede ser sometido el pararrayos para un
MCOV determinado, mientras que la curva de abajo muestra lo mismo pero toma en
cuenta que el pararrayos puede haber absorbido energa del sistema previo a la
sobretensin.
Figura 3. 5 Ejemplo de curva TOV tpica, con energa previa absorbida del sistema
Para los sistemas de distribucin, el problema habitual no es la falta de datos,
sino ms bien un gran nmero de lugares, sobretensiones y duraciones distintas. Estas
diferencias deben tenerse en cuenta para determinar el tipo de pararrayos a utilizar en el
alimentador completo.
Adems dice que la ferrorresonancia es una preocupacin particular sobre los
sistemas de distribucin y aplicaciones propensas a esta pueden requerir atencin de
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pararrayos. Cuando los datos exactos de sobretensiones y sus respectivas duraciones se
encuentren disponibles, estos datos se pueden comparar con la curva estndar para
seleccionar el pararrayos.
Si se presentaran fallas en los pararrayos atribuibles al TOV, la seleccin de la
tensin nominal superior siguiente puede resolver el problema, o en casos extremos, un
estudio del sistema puede garantizar determinar el TOV en amplitud y duracin en las
locaciones problemticas.
En cuanto a la aplicacin de pararrayos en generadores de distribucin, la
seccin 6.3.2.2 menciona que se pueden producir sobretensiones cuando el generador y
una parte de la red de distribucin se separan de los clientes. Esto se conoce como
islanding o isla. En el pasado esto no haba sido un problema, en parte gracias a que
las unidades de generacin que estaban en funcionamiento eran pocas y la mayora eran
muy pequeas. Como el uso de generadores a nivel de distribucin ha aumentado as
como su tamao, la generacin de sobretensiones podra convertirse en un problema.
Los estudios sugieren que los pararrayos sobreviven la mayor parte de las veces
a estas situaciones si el sistema de proteccin puede desconectar el generador del
sistema en unos pocos segundos. Los esquemas de proteccin de fallas utilizados en el
lugar de generacin se esperan que detecten la condicin de isla y se de la
desconexin del sistema en cuestin de unos segundos. En los sistemas con una gran
generacin en comparacin a la carga posible, las compaas pueden considerar el uso
de pararrayos con nivel mayor.
En la seccin 6.3.3 se hace una diferencia entre normal duty vs heavy duty donde
se habla de que la diferencia en la utilizacin de uno u otro termino es ms bien
subjetiva y queda a criterio de quien lo utiliza, sin embargo para entender mejor la
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diferencia se presenta una tabla con las diferencias en las pruebas de diseo para
pararrayos normal duty y heavy duty. (IEEE Std C62.11-1993).
Tabla 3. 3 Requerimientos en las pruebas para los diferentes tipos de Pararrayos. [6]
Tipo de Prueba Servicio Normal Servicio PesadoCorriente de gran amplitud 65 kA (4/10 s) 100 kA (4/10 s)
Corriente de larga duracin 75 A x 2000 s 250 A x 2000 s
Impulso de corriente 5 kA (8/20 s) 10 kA (8/20 s)
Ya ahora de la tabla se puede deducir que el pararrayos para uso pesado o heavy
duty puede descargar una energa mayor que aquellos de uso normal, por lo que los
primeros se deben utilizar cuando se quiera soportar una descarga mayor a lo normal.
Por ejemplo, altas energas debidas a tormentas en lugares con un alto nmero anual de
das de tormenta, donde la cada de rayos son ms frecuentes y puede haber un mayor
nmero de descargas por encima de 65 kA.
Este tipo de pararrayos tambin podran ser elegidos para que se desempeen en
situaciones de altos aumentos repentinos de energa, como al desconectar grandes
cargas capacitivas. Para estos casos, otras clases de pararrayos pueden ser consideradas.
La corriente total de un rayo es poco probable que sea descargada por un nico
pararrayos y la cantidad de corriente descargada por este depende de la distancia entre el
impacto y el pararrayos, as como de la presencia de otros pararrayos, y el nivel de
aislamiento de la lnea.
Finalmente, la norma recomienda que antes de seleccionar cualquier supresor de
picos o pararrayos, todas las caractersticas, incluyendo los aspectos econmicos, deben
ser analizados.
En la seccin 6.4 Distribution system overvoltages ya se habla propiamente de
las sobretensiones en lneas de distribucin, y dentro de las principales sobretensiones
descritos en la norma estn las que se mencionan a continuacin:
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Sistemas de cuatro hilos, en estrellas y multi-aterrizados (6.4.1).
En estos casos se menciona que el MCOV del pararrayos debe ser igual o
superior a la tensin mxima continua que ser aplicada al pararrayos. Como alternativa
al clculo de las tensiones de fase a tierra durante fallas a tierra, la norma propone el
suponer un TOV, en las fases no falladas, que supera la tensin nominal de fase en la
lnea por un factor de 1.25. Dicho factor sera utilizado cuando se tiene una baja
resistencia entre la lnea y tierra, menor a 25 , y siempre y cuando el calibre del neutro
sea al menos el 50% del conductor de fase, de no ser as el factor aplicado ser mayor.
Muchas compaas utilizan para este clculo un factor de 1.35.
Sistemas de tres hilos, aterrizados y de baja impedancia, aterrizados solamente en
la fuente. (6.4.2)
Al igual que en el caso anterior, el MCOV del pararrayos debe ser igual o
superior a la tensin mxima continua que ser aplicada al pararrayos. Sin embargo para
la estimacin de la tensin de fase a tierra durante fallas monofsicas a tierra, la prctica
general segn la norma, consiste en asumir un TOV en las fases no falladas de 1.4 p.u.
En cuanto a la duracin mxima de este TOV tiene que ser determinada y se debe
examinar la curva para asegurarse de que el pararrayos puede soportar el TOV durante
la falla.
Si el sistema se aterriza a travs de una impedancia, el aumento en la tensin en
las fases no falladas fcilmente podra superar este 1.4 p.u. y por lo tanto deber ser
calculado. Al ocurrir un fallo en la instalacin del pararrayos, la tensin en las fases no
afectadas puede aumentar en el orden de 80% debido a la resistencia de la tierra en el
punto de la falla. Los valores para ambas fases deben ser calculados desde la tierra, a
travs de la resistencia y podra resultar en valores desiguales.
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Cuando existe la posibilidad de un backfeed en una parte del circuito, la cual ha
sido desconectada de la fuente a travs de dispositivos como transformadores o
condensadores que se encuentran conectados en esa parte del circuito, el TOV debe
asumirse como igual a la mxima tensin de lnea. En estos casos se puede suponer que
la duracin de esta condicin se encuentra dentro de la capacidad del pararrayos. Si la
duracin no pudiera ser determinada, el pararrayos debe seleccionarse de manera que su
valor de MCOV sea igual o superior al mximo nivel de tensin de lnea en el sistema.
Sistemas de tres hilos, alta impedancia de tierra, o sistemas conectados en delta.
(6.4.3)
Nuevamente el MCOV debe ser igual o superior a la tensin mxima continua
que ser aplicada al pararrayos. Durante una falla monofsica a tierra, la tensin de fase
en las otras dos fases, alcanzar valores equivalentes a la tensin de lnea. Debido a que
los valores de la corriente de falla son extremadamente bajos, los esquemas de
proteccin pueden permitir que estas fallas persistan un tiempo considerable. Como
consecuencia, la practica general es elegir un pararrayos cuyo MCOV sea superior al
mximo nivel de tensin de lnea en el sistema.
Un MCOV podr ser utilizado en donde un relevador limite la duracin de la
falla, pero el pararrayos debe tener la capacidad de soportar la tensin de lnea durante
el mximo tiempo requerido para limpiar la falla.
Sobretensin causada por efecto de la ferrorresonancia. (6.4.4)
Sobretensiones ferrorresonantes se producen cuando una inductancia con ncleo
ferromagntico saturable interacta con una capacitancia. La topologa del circuito L-C
en serie, usualmente resulta cuando un transformador trifsico, o bien un banco de
transformadores, se queda con una o dos fases desconectadas de la fuente. La
capacitancia esta dada por la lnea, por cables subterrneos, capacitancia interna en los
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devanados del transformador, o por bancos de capacitares en paralelo. Para que el
circuito ferrorresonante aparezca, una de las siguientes combinaciones debe estar
presente:
Un transformador sin conexin a tierra con conexin primaria (delta, deltaabierta, estrella sin aterrizar, transformador trifsico o banco) y una capacitancia
de fase conectada a la fase del transformador desconectada de la fuente.
Un transformador estrella-estrella, aterrizado, o bien un banco, con una o dos delas fases desconectada de la fuente, y una capacitancia sin aterrizar conectada
entre las fases abiertas del transformador en cualquiera de las terminales de este,
ya sea primarias o secundarias. La capacitancia sin conexin a tierra se da
tpicamente en la forma de un banco de capacitores en delta o estrella sin
aterrizar, o por la longitud de la lnea trifsica primaria.
Transformadores trifsicos estrella-estrella, aterrizados, construidos con ncleofive-leg o four-leg, que cuentan con una o dos fases desconectadas de la
fuente, y adems cuentan con capacitancia(s) fase a tierra conectada a alguna de
estas mismas fases, ya sea en el lado primario o secundario.
La magnitud de la sobretensin ferrorresonante depende de los devanados
primarios del transformador, as como de la capacitancia presente, en comparacin con
las caractersticas del transformador. Estos tienden a ser ms severos para
transformadores de altos niveles de tensin, transformadores pequeos en cuanto a
kVA, y aquellos con alta eficiencia (pequeas prdidas en el ncleo).
Para transformadores sin puesta a tierra en el primario, sobretensiones por
ferrorresonancia pueden alcanzar fcilmente de 3 a 4 p.u. la capacitancia interna del
transformador puede a menudo ser suficiente para provocar ferrorresonancia en
transformadores y bancos sin aterrizar.
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Las magnitudes de sobretensiones relacionadas con transformadores estrella,
aterrizados, construidos con ncleo five-leg o four-leg pueden sobrepasar los 2.5
p.u. Cables subterrneos con longitudes en el orden de pocos cientos de pies, son
suficientes para crear valores cresta de tensin de esta magnitud.
Capacitancias suficientes en comparacin con las caractersticas del
transformador se encuentran presentes en transformadores que se encuentran
virtualmente descargados (cargas menores que un pequeo porcentaje). La sobretensin
ferrorresonante puede persistir el tiempo que permanezca la condicin de fase abierta.
En la prctica, la condicin de una fase abierta es usualmente el resultado de
interrupciones intencionales por parte de compaas distribuidoras, o debidas a la
operacin de un dispositivo protector como por ejemplo un fusible, en el primer caso la
sobretensin estar presente hasta que la ultima fase sea interrumpida por parte de la
compaa, mientras que en el caso de la accin de un fusible este puede estar presente
un periodo extendido de tiempo.
Estas sobretensiones de ferrorresonancia pueden resultar en la falla del
pararrayos. El circuito ferrorresonante, como se le quiera ver, es una fuente de alta
impedancia y el pararrayos limitara la tensin mientras se descargan corrientes
relativamente pequeas. Como consecuencia la acumulacin de energa es relativamente
lenta y el pararrayos a menudo puede soportar la exposicin a estas sobretensiones por
periodos de varios minutos. Las curvas de TOV para pararrayos estn basadas en la
aplicacin de fuertes tensiones y no necesariamente reflejan la habilidad del dispositivo
para soportar la sobretensin debida a este fenmeno. Si los elementos de la vlvula del
pararrayos se elevan a una temperatura excesiva por la exposicin a sobretensiones
ferrorresonantes, la falla de este no es evidente hasta que la fase abierta, a la que el
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pararrayos est conectado, se vuelva a cerrar perfectamente a la fuente de sistema de
baja impedancia.
En muchos casos, el pararrayos no es llevado por ferrorresonancia hasta un
sobrecalentamiento durante el breve tiempo requerido para completar la operacin de
interrupcin. Adems, donde el disposi