Repblica Bolivariana de VenezuelaUniversidad de CaraboboFacultad de IngenieraEscuela de Ingeniera ElctricaDepartamento de Potencia Tcnicas de Alta Tensin

Hilo de Guarda, Varillas Elctricas y Explosores

Gabriel Parra

Barbula, Enero 2015Hilo de GuardaCorresponde 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. Es importante recalcar la importancia del aterramiento para el funcionamiento efectivo de este.

Diseo del hilo de guarda:

El diseo de un cable guarda consiste bsicamente de dos factores, la ubicacin del cable de guarda en la estructura y las caractersticas mecnicas de este. La ubicacin debe ser tal que evite cualquier descarga atmosfrica sobre las lneas de transmisin y las caractersticas mecnicas del cable de guarda deben tomarse en cuenta debido a como estas afectaran la estructura (diseo, materiales y construccin). Otra medida importante son las caractersticas elctricas del cable de guarda, las cuales deben presentar bajas perdidas por induccin y bajos voltajes de paso y contacto.

Ubicacin del cable de guarda:

Existen diferentes mtodos empricos para ubicar los cables de guarda y cada uno de ellos nos ofrece una zona de proteccin contra descargas directas diferentes. Existen dos grandes grupos a la hora de hablar de la metodologa de diseo para el cable de guarda, las que encuentran una posicin efectiva del cable de guarda tal que permita un buen apantallamiento y las que asignan una posicin determinada del cable de guarda, una cierta probabilidad de falla de apantallamiento. Entre ellas estn:

Mtodo de Charles: Este criterio establece un ngulo de apantallamiento con la vertical, de modo que la descarga atmosfrica no caer sobre ningn objeto que se encuentre dentro del cono delimitado por dicho ngulo. Este criterio es poco estricto y permite ubicar el cable de guarda a menor altura.

Reubicacin de los cables de guarda, evitando un segundo cable.Ubicacin de los cables de guardaPara proteccin contra descargasDirectas.Mtodo de Wagner Y MacCann: Este mtodo es muy similar al anterior, solo que en este caso se considera que los cables de guarda protegen un ngulo con la vertical, esto resulta en una ubicacin ms elevada del cable de guarda.

Ubicacin de los cables de guardaPara proteccin contra descargasDirectas.

Reubicacin del cable de guarda para proteger todos los conductores

Modelo Electogeomtrico: El modelo electrogeomtrico es un modelo matemtico de aplicacin a las descargas negativas descendentes basado en la propagacin del trazador descendente, representado por una lnea de carga, que desciende en lnea recta desde la nube al suelo, y el valor del campo elctrico inducido en las estructuras situadas en la superficie del terreno. El objetivo de este modelo es determinar el punto de impacto de una descarga teniendo en cuenta su intensidad mxima de corriente y la localizacin del canal de esta descarga, que se supone tiene una trayectoria vertical, Al acercarse una descarga a tierra hay un momento en que se supera la rigidez dielctrica el aire y se produce el salto hacia el objeto ms cercano, que puede ser un rbol, una lnea o la misma tierra. La distancia de ruptura o distancia a la que salta el arco, depende de la magnitud de la corriente de la descarga. Sin embargo, en general la distancia de ruptura de un conductor en la cima de una torre difiere de la distancia de ruptura a la tierra. Esto es obvio dado que la pendiente de una descarga con electrodos punta-plano (lder descendente que conecta con la tierra) difiere de la pendiente de una descarga con electrodos punta-punta (el lder descendente conectado a la torre). As, en general, existen al menos dos distancias de ruptura, una a los conductores de la fase o los cables de tierra rc, y otra a la tierra rg.

Dnde:h: Altura del cable de guarda.I: Corriente de descarga en KA. Parmetros experimentales.

Caractersticas mecnicas del cable de guarda:

Las tensiones que aparecen en un conductor varan permanentemente a raz de los cambios de temperatura o de la presencia de viento, o de la combinacin de ambas condiciones, y entonces, es importante definir valores mximo que puedan ocurrir como: tensin del conductor o distancia ms cercana al suelo; para el caso de las distancia mnimas al suelo se harn las hiptesis de cargas solamente de peso propio del conductor y mxima temperatura (hiptesis de localizacin). Para el caso de tensin en el conductor, se deben fijar los topes como porcentaje de carga de rotura, o de U.T.S. (Ultimate Tensible Strength), a determinadas solicitaciones de viento, o de hielo si lo hubiere, y a determinadas temperaturas. Como estas condiciones pueden considerarse extremas, su aplicacin sobre los soportes puede resultar muy elevada si no se considera un coeficiente de seguridad ms bajo, por tal razn, debe definirse unas condiciones intermedias para las cuales se aplican coeficientes ms severos.

Sin amortiguadores:Tensin final sin viento a temperatura mnima del conductor no mayor del 25 % C.R.Tensin final sin viento a temperatura media del conductor no mayor del 21 % C.R.Con amortiguadores:Tensin final sin viento a temperatura mnima del conductor no mayor del 28 % C.R.Tensin final con viento cero a temperatura media ambiente no mayor del 25 % de la C.R.Todo lo explicado anteriormente sirve para determinar la hiptesis de carga para el cable de guarda que se obtendr de las fijadas para el conductor y partiendo que la flecha para el cable de guarda es el 80 % la flecha para el conductor en el mismo vano.Flecha del conductor del cable de guarda:

Dnde: Flecha del cable de guarda. Peso del cable de guarda.S: Vano.Tensin de rotura del cable de guarda.Para determinar la hiptesis de carga para el cable de guarda se hace mediante la expresin:

Dnde:: Peso del cable de guarda.: Peso del conductor.Carga de rotura del hilo de guarda. Carga de rotura del conductor.Varillas Elctricas

O puntas franklin, es una varilla o electrodo de material conductor, cuyo objetivo principal es el de captar las descargas atmosfricas y llevarlas a tierra; es decir, proteger distintos equipos ante la eventualidad de rayos. La Punta Franklin se dice que acta bajo el Efecto Punta, que es el nombre de un efecto que se produce por la acumulacin de energa en la cspide de un cuerpo puntiagudo. Cuando un material posee carga elctrica, esta se distribuye por todo el cuerpo. La densidad de carga es la carga por unidad de volumen o superficie en el cuerpo de manera que si la carga se distribuye en el cuerpo, su densidad ser mayor en las zonas de menos volumen o menos superficie. Por esto se produce una acumulacin de energa en las zonas del material acabadas en punta donde su volumen es menor y se concentra mayor cantidad de carga, de manera que si el material est expuesto a un campo elctrico externo, tender a interactuar con ste por la zona de mayor densidad de carga, es decir, en la punta.

Diseo de una Varilla:

Mtodo de Angulo Fijo: Los ngulos usados se determinan por el grado de exposicin, la importancia de la subestacin que se protege y el rea ocupada por la subestacin. El valor del ngulo alfa1 es generalmente 45 y para el ngulo alfa2 se usan 30 y 45 por recomendacin del estndar 998 IEEE.Para incrementar el rea de proteccin la primera opcin que se viene a la mente sera la de aumentar la altura de la varilla, pero segn estudios de Tibor Horvath en 1991 demuestran fallas en este mtodo de proteccin. Horvath sugiere en conjunto con el estndar IEEE un ngulo de proteccin de 40-45 para alturas hasta 15m, 30 para alturas entre 15-25m y menos de 20 para alturas hasta 50m.

Mtodo Electrogeometrico (EGM) para edificaciones: Tambin conocido como el mtodo de la esfera rodante, llamado as porque se basa en una esfera imaginaria que rodear a toda la subestacin. Donde la esfera haga contacto con la superficie a proteger, dicho punto es vulnerable ante una descarga atmosfrica; por lo que se requerir de una varilla en ese punto. La Punta Franklin se coloca de tal forma que la esfera solamente la toque a ella y no a la estructura. La zona interna al igual que los puntos tangentes a la esfera es vulnerable a descargas atmosfricas; mientras que aquello que permanezca fuera de ella, estar protegido.

Cuando se usan varillas como proteccin se requiere el siguiente clculo:

Donde:d = distancia entre dos varillas [m]r = radio de la esfera [m]h = altura de las varillas [m]Los radios de las esferas vendrn dados por los siguientes estndares:

(US ) NFPA 780, R=46m (US) Dept Energy and Dept Defense, R= 33m IEC 62305: Nivel I, R= 20 m / Nivel II, R=30m / Nivel III, R=45m / Nivel IV, R=60m BS 66551 (Britanica) R=20mSe adoptar como principal recomendacin la hecha por el estndar IEC 62305, donde seala que el radio de las esferas vendr dado por el paso del lder y adems determina la finalidad del mtodo, que es otorgarle camino para circular desde dentro de la esfera hasta un punto protegido de la subestacin; bien sea la punta Franklin o la tierra.

Para la configuracin de mltiples varillas, es necesario conocer la distancia de penetracin de la esfera entre dos varillas, para ello se dispone de la siguiente ecuacin:

Donde:

d = distancia entre las dos varillas [m]r = radio de la esfera [m]p = distancia de penetracin de la esfera [m]

Ante este parmetro se debe asegurar la correcta ubicacin de los equipos, de modo que se mantengan debajo del manto de proteccin.

En caso de subestaciones:

Al igual que para el caso de las edificaciones, en subestaciones este mtodo se basa en circular una esfera imaginaria por la subestacin y todos los puntos que toque dicha esfera, deber ir provisto de un mstil; pero la diferencia radica en el clculo del radio de esta esfera. El standard IEEE-998 ofrece el mtodo ms aceptado para tal clculo. Ante estos fenmenos, se introducen parmetros adicionales para el blindaje de equipos en subestaciones. El nivel de aislamiento se puede expresar mediante el BIL (basic lightning impulse level) tambin podra expresarse mediante otra variable conocida como CFO (critical flashover voltage), indica que al producirse un voltaje superior al CF, se producir un arco.

Zs: impedancia caracterstica del conductor en ohmios.

Estas ecuaciones sufrirn ajustes para los casos donde haya barras terminales, transformadores y lneas abiertas.

1. Barras Terminales: La ecuacin anterior fue propuesta para el caso en que la descarga ocurra justamente en una lnea y la onda tenga al menos dos direcciones para fluir, se asume que la impedancia caracterstica es la misma en ambas direcciones, por l que la impedancia total equivalente ser el paralelo de las dos; resultando ZS/2. Por lo que para los casos de barras terminales, se recomienda dividir las Ec. de Is.

2. Transformadores y Lneas abiertas: Este caso se debe al alto cambio de impedancia del conductor a devanados de transformadores , interruptores o seccionadores abiertos. En tales puntos, la onda de voltaje se reflejar y retornar por el conductor. Esta fuerza se ver aumentada al doble; mejor conocido este fenmeno como Doubbling Effect. Esto se corrige dividiendo las Ec. de Is por 2.

Nomenclatura a usar para los clculos:

S radio de la esferaH altura del mstilA altura de la barraW & C distancia horizontal del origen de la esfera (OOS) a la barraT mxima separacin entre mstil y barra por proteccinY fase mnima libre de aceroZ distancia horizontal entre OOS y la lnea entre dos mstilesL mitad de separacin entre dos mstilesX separacin mxima entre dos mstilesD diferencia de alturas entre mstil y barraE diferencia de alturas entre mstil y OOsJ distancia horizontal entre OOS y mstilK distancia diagonal entre mstiles cuando cuatro mstiles sostienen la esferaP distancia entre mstiles cuando cuatro mstiles soportan la esferaQ distancia entre mstiles cuando tres mstiles soportan la esfera.

Procedimiento:

1. Calcular la impedancia caracterstica, Zs.

A partir de Ec. C.7 IEEE 998:

Donde Rc se denomina radio corona y se calcula segn (IEEE-998):

Donde h: altura promedio de los conductores Vc: BIL Eo: Gradiente lmite debido a corona.2. Calcular la corriente de impacto, IS:

3. Calcular la distancia de impacto, S, la cual representara el radio de la esfera.

4. Calcular T

5. Calcular X

6. Calcular P

7. Calcular Q

8. Con toda esta informacin, se pueden ubicar los mstiles; se pueden realizar otros ajustes para un mejor acabado.

ExplosoresEl explosor es un dispositivo de proteccin contra sobretensiones que es utilizado en media y alta tensin, el cual se coloca para proteger de descargas atmosfricas a los aisladores, y a la entrada de los transformadores de potencia. Consta de dos electrodos separados cierta distancia, los cuales pueden ser de distintas formas dependiendo de la funcin que se quiere que realicen, uno de estos electrodos se conecta a tierra y el otro a la lnea o el equipo que se quiere proteger de la sobretensin. Su principio de funcionamiento se basa en la ruptura de la rigidez dielctrica del aire cuando el campo elctrico entre ellos alcanza la tensin necesaria para iniciar los procesos de ionizacin que crea un camino conductor entre ellos.

Funcionamiento:

Si se tiene una fuente de tensin que aplica un voltaje Ve, determinando un voltaje V entre un par de electrodos ubicados en el interior de un tubo cerrado que contiene un gas determinado. Si el voltaje de alimentacin Ve es muy bajo, prcticamente no hay conduccin de corriente a travs del medio gaseoso y el voltaje interelectrdico es igual a Ve. Sin embargo, si aumentamos Ve podemos notar que a partir de un valor dado se produce una descarga a travs del gas, establecindose una corriente interelectrdica. Esta descarga se origina cuando electrones semilla (inyectados artificialmente o producidos por rayos csmicos o radiacin UV) son acelerados por el campo elctrico y alcanzan una energa suficiente para ionizar a los tomos o molculas del gas. A partir de all se inicia un proceso de avalancha electrnica cuya magnitud depende de varios factores: tasa de ionizacin, prdida de energa (colisiones elsticas, excitacin), prdida de electrones (difusin, recombinacin).En cuanto a su tiempo de disparo es necesario resaltar lo siguiente, y es que debido a su naturaleza, este no presenta un nivel de proteccin determinado, ya que mientras sea menor el tiempo de formacin de la cresta de la onda incidente, el dispositivo actuara ms rpido.

La tensin de disparo de un explosor vara funcin de la separacin interelectrodica, cuando se aumenta esta, se logra incrementar la tensin de disparo, hasta que se llega a un codo de saturacin es decir, la distancia se regula mediante sistemas de tornillos o poleas. La calibracin no se puede realizar con mucha precisin, dado que la tensin de descarga se determinada por la distancia entre los dos polos pero tambin depende de la constante dielctrica del aire, y esta vara en funcin de la presin, humedad y ventilacin.

Arreglos:Este dispositivo tiene distintos arreglos o formas para su constitucin, de esta depender su funcionamiento, parmetros y aplicacin en las distintas instalaciones y equipos donde pueden incluirse para la proteccin contra sobretensiones. Entonces como el comportamiento de estos depende de su arreglo, estudiaremos los mismos. Como se sabe los explosores constan de dos electrodos, la forma de estos puede ser como placa, esfera o punta y aunque pueden ser ambos electrodos del mismo tipo, tambin pueden realizarse cualquier clase de combinaciones entre ellos. Estudiaremos entonces algunos de los ms comunes: Esfera-EsferaEn este tipo de arreglo la descarga se iniciara en un solo punto (puntos ms cercanos de las esferas). El arreglo esfera-esfera no presenta los problemas de concentracin de campo; el campo es netamente homogneo, siempre y cuando la distancia de separacin de las esferas no supere la mitad del dimetro de las mismas.

Al aplicar entre dichas esferas un potencial, la descarga a ciertadistanciade ruptura ocurre a un valor de tensin predeterminado.El arreglo de esferas es considerado primordialmente para el desarrollo de ensayos de aislamientos, ya que la uniformidad del campo garantiza casi al 100 % que exista un solo camino de descarga (el que une los dos puntos ms cercanos entre ambas esferas.) La ventaja que aporta esta distribucin de cargas es que no existen cambios bruscos en la pendiente de los infinitos planos tangente a dicha superficie, lo que garantiza un campo uniforme. El arreglo esfera-esfera no presenta problemas de concentracin de campo; el campo es netamente homogneo siempre y cuando la distancia de separacin de las esferas no supere la mitad del dimetro de las mismas. Por lo tanto el arreglo de electrodos ms adecuado es el arreglo de esferas.

Placa-Placa:Su tarea es la de homogenizar el campo elctrico es decir, crear un rea de igualdad de iones y electrones. Y al mismo tiempo refrigerar el arco elctrico. El explosor, por consiguiente, est constituido por lminas de cobre, las cuales son tambin excelentes conductoras trmicas.

Estas aunque pueden ser rectangulares o cuadradas siguen presentando esquinas hacia donde el campo elctrico es ms intenso, por la densidad de cargas que existe en estas zonas. Por esto mismo, es muy probable que la descarga, en vez de producirse en el centro de las placas paralelas ocurra en los extremos de las mismas.Existe otro tipo de arreglo semejante al de placas con la diferencia en que estas contienen una pequea curvatura en sus extremos, conocido como perfiles de Rogowski, los cuales se disean siguiendo una lnea equipotencial correspondiente a un nivel determinado de tensin de diseo V. El perfil de Rogowski ofrece una solucin frente a los problemas de concentracin de campo. El campo ser homogneo siempre y cuando el nivel de tensin existente entre los electrodos sea menor o igual a la tensin de diseo V; cuando la tensin supere este valor, la concentracin de campo comenzar a aparecer hacia los extremos presentando el mismo problema del arreglo de placas.

Punta-Punta:Elefecto punta:es un efecto fsico que se produce por la acumulacin de energaen esa parte de un cuerpo. Cuando un material poseecarga elctrica, esta se distribuye por todo el cuerpo (superficie, si se trata de conductores). Ladensidad de cargaes la carga por unidad de volumen o superficie en el cuerpo de manera que si la carga se distribuye en el cuerpo, su densidad ser mayor en las zonas de menos volumen o menos superficie. Por esto se produce una acumulacin de energa en las zonas del material acabadas en punta donde su volumen es menor y se concentra mayor cantidad de carga, de manera que si el material est expuesto a un campo elctrico externo, tender a interactuar con ste por la zona de mayor densidad de carga, es decir, en la punta.

La descarga se realiza entre las puntas debido a la acumulacin de energa en esta parte del cuerpo debido al efecto punta o borde. Es decir, de manera general en las zonas del material acabadas en punta donde su volumen es menor se concentra mayor cantidad de carga.

Placa-Punta Punta-PlacaLa velocidad de los electrones es mayor que la de los iones, debido a su menor masa, es por ello que frente a un campo elctrico externo aplicado, la aceleracin es mayor para un electrn que para un ion positivo. Tomando como ejemplo un arreglo punta placa, y la polaridad de la punta positiva, la baja movilidad de los iones positivos produce acumulacin de estos alrededor de la punta, haciendo su desplazamiento hacia la placa muy lenta y provocando una disminucin de aire efectiva entre electrodos. Lo que se conoce como efecto de alargamiento de puntas. Por esta razn para esta configuracin el campo elctrico mximo soportable es menor que en la configuracin de campo homogneo donde el rea de los electrodos es muy grande (arreglos de placas o esferas). Si la polaridad de la punta es negativa, al ser el rea de las regiones cercanas a la placa ms grande que las cercanas a la punta, la acumulacin de los iones positivos no disminuye la distancia efectiva de aire entre electrodos, porque estos tienen que ocupar mucho ms espacio .adems la movilidad de los electrones desde la punta hacia la placa es alta siendo el proceso de alargamiento mucho menor, haciendo que el campo elctrico soportable sea mucho mayor que en la polaridad positiva. En resumen si se considera un campo no homogneo presente entre un arreglo electrodito, por ejemplo, entre una punta y una placa, la descarga se establece de forma diferente si parte del nodo o del ctodo. La mayor intensidad de campo aparece en la punta, y aqu se sobrepasa primero la rigidez dielctrica del gas.

Explosores de "cuernos"

Consiste en dos varillas (tambin conocidas como electrodos) de las cuales una se conecta a la catenaria o conductor a proteger de las sobretensiones y la otra varilla se conecta a tierra. Otros tipos de explosores llevan una varilla central, llamada varilla anti pjaros, justo en medio como proteccin de la avifauna ya que si se quedase un ave entre las dos varillas no solamente creara un cortocircuito electrocutando al ave sino que adems si se quedase la misma enganchada tendramos con cortocircuito permanente que nos hara disparar la proteccin pertinente de esa lnea o catenaria.Las dos varillas estn dispuestas de tal forma que al aparecer el arco como consecuencia de la evacuacin de una sobretensin alargan el arco consiguiendo que se restablezcan rpidamente las condiciones de rigidez dielctrica, aun siendo as de sencillo los explosores tienen una serie de inconvenientes, entre ellos que deja pasar ciertas sobretensiones, en redes de AT se han ido sustituyendo por los pararrayos auto valvulares. Las catenarias de RENFE emplean explosores.

Desventajas en el uso de Explosores

La tensin de disparo depende en alto grado de la polaridad, es decir, si nos referimos a la figura 3 tenemos que para una determinada tensin el dispositivo dispara, sin embargo, como es de carcter capacitivo este tiene la propiedad de almacenar energa en forma de campo elctrico, por lo tanto ya para una segunda descarga, el nivel de tensin para un segundo disparo ser menor con respecto al anterior.

Retraso de funcionamiento, dado por el tiempo de formacin de cresta de la onda incidente segn se observa en la figura 3.

El arco no se extingue por s mismo debido a la naturaleza capacitiva del dispositivo.

Segn se ilustra en la figura 5 puede observarse que la corriente se encuentra desfasada 90 con respecto a la tensin, por lo tanto es evidente que el hecho de que la tensin sea cero en un punto no significa que la corriente sea cero, por el contrario, esta es mxima

El calor intenso generado por el arco elctrico, daa progresivamente las varillas.

Su funcionamiento acarrea una corriente de cortocircuito en el sistema, lo cual origina fuertes ondas de choque de frente vertical, que se desplazan en ambos sentidos del lugar de la falla, exponiendo innecesariamente a las protecciones prximas.