NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA 2878

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1 NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA ELECTROTECNIA. GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE PARARRAYOS EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN E: ELECTROTECHNICS. GUIDE FOR SURGE ARRESTER SELECTION FOR DISTRIBUTION TRANSFORMERS. CORRESPONDENCIA: DESCRIPTORES: pararrayos, transformador de distribución, dispositivo de seguridad. I.C.S.: ; Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado Santafé de Bogotá, D.C. - Tel Fax Prohibida su reproducción

2 PRÓLOGO El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de El ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La NTC 2878 fue ratificada por el Consejo Directivo el Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través de su participación en el Comité Técnico Transformadores eléctricos. ANDINA DE TRANSFORMADORES S.A. ASEA BROWN BOVERI LTDA. BOBITEC Y/O JULIO CÉSAR CUADROS SALAZAR CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL CAUCA CORPORACIÓN ELÉCTRICA DE LA COSTA ATLÁNTICA ELECTRIFICADORA DE CUNDINAMARCA ELECTRIFICADORA DE SANTANDER S.A. ELECTRIFICADORA DEL ATLÁNTICO ELECTRIFICADORA DEL TOLIMA S.A. ELECTROPORCELANA GAMMA S.A. EMPRESA COLOMBIANA DE PETRÓLEOS S.A. EMPRESA DE ENERGÍA DE BOGOTÁ EMPRESAS MUNICIPALES DE CALI EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN FBM LTDA. FORJAS INDUSTRIALES DE COLOMBIA LTDA. FORJAS TÉCNICAS LTDA. INDUSTRIAS ELKA LTDA. INDUSTRIAS TÉCNICAS RISARALDA INDUSTRIAS TYF S.A. INTERCONEXIÓN ELÉCTRICA S.A. MOTORES MVA DE COLOMBIA NAVARRO GONZÁLEZ Y CÍA. PROTECVOLT LTDA. RYMEL INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA. SERVICIOS ELECTROINDUSTRIALES LKS LTDA. SERVICIOS TECNOELECTROINDUSTRIALES RBT BARRETO SIEMENS SOCIEDAD ANÓNIMA SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO TESLA TRANSFORMADORES LTDA. TRANSFORMADORES B Y S TRANSFORMADORES C.D.M. LTDA. TRANSFORMADORES HOKAYA LTDA. TRANSFORMADORES SIERRA LTDA. UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA UNIVERSIDAD DEL VALLE UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

3 El ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN

4 ELECTROTECNIA. GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE PARARRAYOS EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN 1. OBJETO Esta norma establece las recomendaciones generales básicas para la selección y aplicación de pararrayos que serán utilizados para la protección de transformadores de distribución con tensiones de serie entre 15 kv y 34,5 kv. 2. DEFINICIONES Para efectos de esta norma además de las definiciones establecidas en las NTC 2166 y NTC 2628, se aplican las siguientes: 2.1 Coeficiente de puesta a tierra (e): el más alto valor de la relación entre la máxima tensión fase-tierra con cortocircuito en el sitio considerado de la red (Ve) y la tensión fase-fase sin cortocircuito (Vb) (véase la norma ANSI C62.92). 2.2 Tensión continua de operación (VCO): valor eficaz máximo permitido de corriente alterna que podría ser aplicado continuamente entre los terminales del pararrayos. 2.3 Corriente continua de un pararrayos: corriente que fluye a través del pararrayos cuando está energizado con la tensión continua de operación. Nota. La corriente continua, la cual consta de una componente resistiva y una capacitiva, puede variar con la temperatura y por los efectos de las capacitancias. Para propósitos de comparación, la corriente continua se expresa en valor eficaz o valor cresta. 2.4 Corriente de referencia: valor pico de la componente resistiva de una corriente alterna usada para determinar la tensión de referencia del pararrayos. 2.5 Margen de protección: diferencia entre la rigidez dieléctrica del aislamiento del equipo y el nivel de protección del pararrayos. 1

5 3. CONDICIONES GENERALES Los pararrayos comúnmente utilizados son del tipo de resistencia no lineal o pararrayos autovalvular y pararrayos de óxido metálico. Los parámetros principales que determinan las características nominales para la selección del pararrayos, según éste sea autovalvular o de óxido metálico son: a) Tensión del sistema y nivel de aislamiento b) Conexión de puesta a tierra del sistema (coeficiente de puesta a tierra) c) Relaciones de X o /X 1 y R o /X 1 (determinación de las máximas sobretensiones en fases sanas para fallas a tierra) d) Magnitud de la corriente de descargas atmosféricas (promedio) e) Corrientes de cortocircuito del sistema. 3.1 CARACTERÍSTICAS NOMINALES PARA LA SELECCIÓN DEL PARARRAYOS AUTOVALVULAR Las siguientes son las características principales que deben considerarse en los pararrayos autovalvulares, desde el punto de vista de la coordinación de aislamiento: a) Tensión de extinción o nominal (Vn) b) Corriente nominal de descarga c) Tensión de cebado d) Tensiones residuales e) Corriente de larga duración f) Capacidad de disipación de energía (clase de descarga de línea) g) Nivel de protección del pararrayos contra sobretensiones atmosféricas h) Nivel de protección del pararrayos contra sobretensiones de maniobra i) Capacidad para soportar la corriente de cortocircuito j) Aislamiento de la porcelana Selección de la tensión nominal Es la máxima tensión eficaz con frecuencia industrial admisible entre los bornes de un pararrayos y para la cual puede funcionar correctamente, es decir, asegura la descarga de los explosores después de haberse cebado con una sobretensión. 2

6 El valor de la tensión de servicio afecta principalmente al explosor como tensión de recuperación después del paso por cero y determina la corriente residual que debe extinguir, por lo que la tensión con la frecuencia de servicio en el pararrayos no debe ser superior a la tensión de extinción, incluso en caso de fallas en la red. Para el cálculo de la máxima tensión de servicio con frecuencia industrial deberá tenerse en cuenta el coeficiente de puesta a tierra (e) Pararrayos conectado entre fase y tierra. La selección de la tensión de extinción de los pararrayos entre fase y tierra se hará de acuerdo con lo siguiente: Vn Vm e Vm = valor máximo de la tensión de servicio en el lugar de montaje (tensión fase-fase). Nota. En redes con neutro aislado o conectado a tierra inductivamente, el coeficiente de puesta a tierra se puede asumir igual a 1 si no se conoce y el neutro se considera como no efectivamente puesto a tierra. Si el coeficiente de puesta a tierra es menor que 0,8 se considera que el neutro está efectivamente puesto a tierra Pararrayos conectado entre fase y fase. Debido a que estos pararrayos permanecen con la tensión fase-fase, cuando se eleva la tensión de servicio sobre el valor Vm, están expuestos a mayores riesgos que los pararrayos conectados entre fase y tierra. Donde puedan presentarse estas elevaciones de tensión deberá seleccionarse un pararrayos con mayor tensión de extinción. En tales casos no se considera el coeficiente de puesta a tierra y la selección de la tensión de extinción se hará de tal manera que la tensión nominal sea mayor o igual a la tensión máxima de servicio (Vn Vm). Los valores de tensión nominal del pararrayos deben seleccionarse de acuerdo con los valores normalizados establecidos en el numeral 5.1 de la NTC Selección según la corriente nominal de descarga Los pararrayos están clasificados por sus corrientes de descarga nominales normalizadas (10 ka, 5 ka, 2,5 ka y 1,5 ka, con forma de onda 8 µs/20 µs) y deben cumplir como mínimo los requisitos de ensayo y características de funcionamiento indicados en la Tabla 1 de la NTC La corriente nominal de descarga debe elegirse teniendo en cuenta la máxima corriente que va a descargar el pararrayos, que puede estimarse a partir de los datos de la máxima sobretensión procedente de una línea y debida a la caída de un rayo en ella, así como a partir de la característica tensión-corriente propia del pararrayos. La corriente de descarga (I d ) puede calcularse aproximadamente utilizando la siguiente fórmula: l d = 2V nvr Zc 3

7 Vr = tensión residual del pararrayos para el valor máximo de la corriente que se va a descargar a través de él. V = onda de tensión de valor máximo procedente de una de las líneas conectadas al mismo nodo. Zc = impedancia de onda característica de las líneas (se ha supuesto que todas las líneas (n) poseen el mismo valor Zc). n = el número total de líneas coincidentes en el mismo nodo. La intensidad máxima de descarga se obtendrá en el caso de un pararrayos situado al final de una línea el cual protege a un transformador y está dada por la expresión: l d = 2V Vr Zc Siendo: n = 1 Dada la característica tensión-corriente de un pararrayos, el cálculo de la corriente de descarga para una sobretensión procedente de una línea, se determinará por la intersección de la recta : nvr l d = Zc + Vr Zc con la característica tensión-corriente del pararrayos. Para los niveles de tensión comprendidos por esta guía, se recomienda utilizar pararrayos con corriente nominal de descarga no menor de 10 ka Selección según la tensión de cebado (Sparkover voltage) Los valores máximos para tensiones de cebado de impulso deben estar de acuerdo con la Tabla 6 de la NTC Tensión de cebado al frente de onda. La onda de tensión de choque con pendiente constante, a la cual se ceba el pararrayos, es una medida del comportamiento con el cebado del pararrayos en caso de ondas de sobretensión muy pendientes, como las presentadas en el caso de descargas cercanas al pararrayos. La pendiente de la onda asciende a una tasa de 100 kv/µs por cada 12 kv de la tensión de extinción. Sin embargo, no debe exceder los kv/µs, por lo cual se recomienda el empleo de los valores dados en la Tabla 6 de la NTC

8 Tensión de cebado al 100 % de la onda de choque. El valor representativo del cebado con ondas de sobretensión que se producen a gran distancia del pararrayos Tensión alterna de cebado. El valor de la tensión alterna de cebado no afecta la coordinación de aislamiento, debido a que las tensiones de servicio no alcanzan esta magnitud y las sobretensiones de tal valor tienen frecuencia más elevada Selección de la tensión residual o tensión de descarga Los valores de tensión residual del pararrayos son seleccionados a partir de valores garantizados por el fabricante o la curva de tensión residual contra corriente de descarga. La tensión residual de descarga leída no debe ser mayor que la tensión residual máxima del pararrayos especificada en la Tabla 7 de la NTC Selección de la corriente de larga duración Esta representa los esfuerzos causados por sobretensiones internas que soporta el pararrayos durante su funcionamiento normal. El pararrayos deberá cumplir los requisitos de ensayos de impulso de corriente establecidos en el numeral 6.3 de la NTC Selección de la capacidad de disipación de energía Se determinará conforme con lo estipulado en el numeral La clase de descarga de larga duración puede seleccionarse con base en las características de tensión nominal del sistema, la longitud aproximada de la línea, su impedancia característica y el factor de sobretensión como se indica en el Anexo C de la NTC Nivel de protección contra sobretensiones atmosféricas de un pararrayos Corresponde a la tensión máxima seleccionada entre las tres siguientes: - Tensión máxima de cebado con impulsos tipo rayo - Tensión residual para la corriente de descarga nominal - Tensión de cebado al frente de onda dividida por 1,15 (en este coeficiente se debe tener en cuenta el bajo efecto debido a la corta duración del pico del impulso antes del cebado) Nivel de protección de un pararrayos contra sobretensiones de maniobra Si este dato no se da como característica del pararrayos, se puede tomar igual al nivel de protección contra tensiones atmosféricas Selección de la resistencia a la corriente de cortocircuito Los pararrayos se deben seleccionar de tal manera que su resistencia a la corriente de cortocircuito (en ka) sea mayor que la corriente de falla inicial con tensión alterna en el sitio de montaje. 5

9 El pararrayos no debe explotar violentamente en caso de falla en éste, por lo que debe poseer una capacidad de alivio de presión seleccionada de acuerdo con la magnitud y duración de la corriente de cortocircuito del equipo asociado Los valores normalizados de la capacidad de alivio de presión se indican en la Tabla 5 de la NTC Selección del aislamiento de la porcelana Se selecciona según el estudio de coordinación de aislamiento para la instalación, definiendo principalmente los siguientes requisitos: - Nivel básico de aislamiento (véase la norma IEC 71) - Tensiones de prueba con frecuencia industrial (véase la norma IEC 71) - Mínima distancia de fuga (véase la norma IEC 71). 3.2 CARACTERÍSTICAS NOMINALES PARA LA SELECCIÓN DEL PARARRAYOS DE ÓXIDO METÁLICO Las siguientes son las características que deben tenerse en cuenta para la selección de este pararrayos: a) Tensión continua de operación del pararrayos (VCO) b) Máximas tensiones residuales para ondas de descarga de 8 µs/20 µs c) Corriente nominal de descarga d) Capacidad para soportar la corriente de descarga de onda de 4 µs/10 µs e) Capacidad de disipación total de energía sin refrigeración f) Clase de alivio de presión g) Aislamiento externo de la porcelana h) Capacidad de soporte de sobretensiones temporales Selección de la tensión nominal La tensión nominal se utiliza como un valor de referencia que determina las demás características de operación Determinación de la tensión continua de operación (VOC). Si el pararrayos está conectado entre fase y tierra en un sistema trifásico se determinará así: 6

10 VOC = Vmr 3 Vm = tensión máxima del sistema Determinación de una tensión preliminar basada en la tensión continua de operación. Vo = VOC ko Vo = tensión preliminar. Ko = factor de diseño del pararrayos propio del fabricante Determinación de sobretensiones temporales en falla a tierra. VTG = Ke. VOC VTG = sobretensión temporal en falla a tierra. Ke = factor de falla a tierra que depende de la relación X o /X 1 y R o /X 1 (impedancias de secuencia cero y positiva). Nota. K e tiene un valor máximo de 1,4 para sistemas directamente aterrizados y normalmente un valor de 1,73 para sistemas aislados Selección de otra tensión nominal preliminar basada en la sobretensión temporal en falla a tierra. V 1 = VTG K 1 V 1 = tensión preliminar. K t = capacidad de la sobretensión temporal del pararrayos expresada como múltiplo de la tensión nominal. 7

11 La capacidad de la sobretensión temporal del pararrayos depende también del consumo de energía precedente y la tensión de servicio aplicada después de la sobretensión. Nota. K t se puede tomar de curvas o tablas dadas por los fabricantes de pararrayos, las cuales muestran la duración de la sobretensión y su constante respectiva como múltiplo de tensión nominal Determinación de otras tensiones temporales. Aplicando lo descrito en el numeral se calculan otras tensiones temporales y a partir de ellas se hallan valores preliminares de tensiones nominales (V 1, V 2,... V n ) Determinación de la tensión nominal. La tensión nominal que se debe seleccionar es el valor más alto escogido entre las tensiones preliminares (V o, V 1, V 2... V n ). Si este valor no corresponde a un valor de tensión normalizado se debe seleccionar el inmediatamente superior normalizado Coordinación de corriente Corriente nominal de descarga. La corriente nominal de descarga se determina de acuerdo con lo estipulado en el numeral de esta norma. Debido al efecto de las sucesivas reflexiones de la onda de descarga, la corriente de descarga puede incrementarse hasta alcanzar intensidades superiores a los valores determinados en la fórmula indicada en el numeral 3.1.2, si el punto de impacto del rayo se sitúa a una distancia muy cercana al pararrayos (no superior a 8 km). Para las redes de distribución, las distancias entre pararrayos son menores que estos valores, razón por la cual las intensidades de las descargas reales son en general mayores que las que se deducen de la fórmula indicada en el numeral Debido a estas consideraciones se recomienda la utilización de pararrayos con corriente nominal de descarga no menor de 10 ka, lo cual cubre la mayoría de aplicaciones de pararrayos en sistemas con tensiones de servicio comprendidas en esta guía Capacidad para soportar un impulso de maniobra. Para sistemas con tensiones de servicio cobijadas por esta norma, este parámetro tiene menor importancia ya que las sobretensiones originadas por impulsos de maniobra son inferiores a las sobretensiones por descargas atmosféricas. Sin embargo, los valores de corriente y las tensiones residuales con las corrientes y ondas por maniobra son importantes para el cálculo de la disipación de energía que debe soportar el pararrayos. Para las tensiones menores o iguales a 34,5 kv, las magnitudes de la máxima corriente producida por impulso de maniobra es de 0,5 ka Margen de protección a) El margen de protección del pararrayos para ondas de impulso atmosférico se establece de acuerdo con la siguiente fórmula: MP = NBA Vr Vr x 100% 8

12 MP = NBA = margen de protección. nivel básico de aislamiento. Vr = tensión residual o tensión de descarga con la corriente de descarga nominal, con una onda 1,2 µs /50 µs. b) El margen de protección del pararrayos para ondas de impulso de maniobra se establece de acuerdo con la siguiente fórmula: MP = VIM Vr Vr x 100 Donde : MP = VIM = margen de protección. tensión que debe soportar el equipo con un impulso de maniobra (conmutación). Vr = tensión residual con onda de impulso de maniobra. Se recomienda que las tensiones residuales en el pararrayos a la corriente nominal de descarga con ondas de impulso de corriente 8 µs/20 µs, sean mínimo 20 % menores que el nivel básico de aislamiento (NBA) del equipo protegido. Para sobretensiones de maniobra, el margen de protección no debe ser inferior al 15 % de la tensión que debe soportar con un impulso de maniobra (VIM), el equipo protegido Distancia de protección Los márgenes de protección del pararrayos solamente son válidos si el pararrayos se monta directamente sobre el objeto que se va a proteger, debido a que si existe una distancia entre el pararrayos y el objeto protegido, se reducen drásticamente los márgenes de protección. La tensión aplicada sobre el objeto que se va a proteger con un pararrayos, se determina a partir de las siguientes consideraciones: a) Considerando un pararrayos (P) que protege un transformador (T) instalado a una cierta distancia de éste (véase la Figura 1), de tal forma que una onda tarda un tiempo (t) en recorrer el trayecto. V p = R d I d + R t I d + V 1 V e = V p + V osc 9

13 V osc 2Ut L V V L H di d = 1 = 1 dt V p = R d x I d R d = tensión aplicada al pararrayos. = V r = tensión residual del pararrayos. resistencia de descarga del pararrayos (Ω). I d = corriente nominal de descarga, (ka). R t = resistencia de puesta a tierra (Ω). U t = pendiente de la onda incidente (kv/µs). v = velocidad de la onda incidente (m/µs). L = separación entre el pararrayos y el equipo protegido (m). V e = tensión aplicada al equipo que se va a proteger. L 1 = longitud del bajante del pararrayos (m). H = inductancia del cable de conexión al pararrayos (H/m). Figura 1. Circuito para el cálculo del margen de protección (distancia de protección) b) Con el valor V e se debe recalcular el margen de protección MP, con el fin de determinar que este último no sea inferior al 20 % establecido. Entonces MP NBA = V V e e X 100% = 20% 10

14 c) Si L 1 y R t son demasiado pequeños V e puede ser calculado en forma aproximada por la siguiente fórmula simplificada. V = V = + ( R. I ) e osc d d Vr + 2Ut L v Capacidad de disipación de energía Los pararrayos son sometidos a esfuerzos ya que tienen que soportar la energía que deben disipar y que es originada por la corriente que circula a través de ellos cuando se producen descargas atmosféricas o sobretensiones de maniobra para niveles de tensión menores de 110 kv. Los mayores esfuerzos se producen por descargas atmosféricas. El caso más crítico por conmutación se presenta cuando se realiza un recierre en una línea con una carga estática atrapada en la misma, con el pararrayos conectado en el otro extremo de la línea Determinación de los parámetros de conmutación. A partir de los parámetros de la línea, debe determinarse la impedancia característica de la línea (Z) como se indica a continuación: Z = X X 1 0 = X BC X = reactancia de la línea en Ω. BC = conductancia de la línea en milimho. Se determina la sobretensión esperada (V ov ) que se presentaría al final de la línea en caso de no contarse con el pararrayos instalado el cual tiene un valor típico de 2,6 p.u., para tensiones inferiores a 145 kv, teniendo como base para el valor por unidad el pico de la tensión más alta del sistema línea neutro. Esta sobretensión V ov puede ser calculada en forma más exacta mediante una simulación utilizando el programa de computador EMTP (Electromagnetic Transients Program) Determinación de la disipación de energía debida a conmutación. La ecuación que se debe utilizar para el cálculo de la energía que deberá disipar el pararrayos, de acuerdo con el modelo simplificado, es la siguiente: V ov - V r E = x V r x 2t x n Z E = energía que debe disipar el pararrayos. 11

15 V ov = sobretensión esperada en ausencia del pararrayos. V r = tensión residual de la onda de maniobra. t = tiempo de propagación, calculado como longitud de la línea (km) dividida por la velocidad de propagación de la onda (0,3 x 10 6 km/s). n = número de descargas consecutivas considerado como 1. Z = impedancia expresada en Ω. La capacidad de disipación de energía debido a la tensión nominal será: Energía disipada Tensión nominal del pararrayos expresada en kilojulios / kilovoltios (kj/kv) Magnitud de disipación de energía debida a descarga atmosférica. Se puede calcular en forma aproximada por medio de la siguiente ecuación : E = V r x I x t x n E = I = V r = t = energía que debe disipar el pararrayos. corriente de descarga (10 ka). tensión residual del pararrayos para una descarga de 10 ka. tiempo de propagación de la descarga (valor asumido 20 µs). n = número de descargas consecutivas sin enfriamiento y tiene un valor de 2. Se calcula la capacidad de disipación de energía debida a la tensión nominal y se verifica el cumplimiento de la clase de descarga del pararrayos que se va a utilizar Capacidad de alivio de presión El cálculo de la capacidad de alivio de presión se determina por la corriente de cortocircuito (I BC ) en el lugar donde va a ser instalado el pararrayos. I BC MVA = 3 x V ( falla) n 12

16 V n = tensión nominal. MVA (falla) = cantidad de MVA cuando se presenta una falla. Con la I BC se verifica la clase de descarga del pararrayos seleccionado de acuerdo con la Tabla 5 de la NTC Aislamiento del pararrayos Se debe seleccionar de acuerdo con lo indicado en el numeral APÉNDICE 4.1 INDICACIONES COMPLEMENTARIAS A manera de ilustración se presentan las siguientes referencias: - ANSI/IEEE C62.1 IEEE Standard for Gapped Silicon. Carbide Surge Arresters for AC Power Circuits. - ANSI/IEEE C62.92 IEEE Guide for the Application of Gapped Silicon-Carbide Surge Arresters for Alternating Current Systems (ANSI). - ANSI/IEEE C62.92 IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems. Part I: Introduction. - IEC71-1 Insulation Coordination. Part 1: Terms, Definitions Principles and Rules. - IEC 71-2 Insulation Coordination. Part 2: Application Guide - IEC 71-3 Insulation Coordination. Part 3: Phase-to-Phase Insulation Coordination. Principles, Rules and Application Guide. - ANSI/IEEE C62.11 IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters for Alternating-Current Power Circuits. (ANSI) El cálculo aproximado del coeficiente de puesta a tierra se puede efectuar a partir de lo siguiente: e = 1 2 3(X / X ) (2 + X / X ) X o = reactancia de secuencia cero. X 1 = reactancia de secuencia positiva. 13

17 4.1.3 A manera de ilustración se presenta un ejemplo de selección de un pararrayos de óxido metálico. Como primer paso en la selección del pararrayos se debe establecer la tensión nominal Tensiones máximas del sistema. El valor de la tensión máxima del sistema está aproximadamente entre 1,05 y 1,1 la tensión nominal del sistema (véase la Tabla 1). Tabla 1. Tensiones del sistema (kv) V (p.u.) 1,0 1,05 1,10 V ,5 121 V 66 69,3 72,6 V 34,5 36,2 38,0 V 13,8 14,5 15, Condición de puesta a tierra y esquema de protección. Se debe determinar la sobretensión temporal (VTG) del sistema durante una falla fase-tierra. Las máximas sobretensiones se producen generalmente por la aparición de este tipo de falla y dependen principalmente de las constantes del circuito en el punto de falla. Su determinación se efectúa mediante componentes simétricas que involucran las relaciones X o /X 1 y R o /X 1 y en la medida en que éstas disminuyan más reducidas serán las sobretensiones, lo cual pone de manifiesto la manera en que esté puesto a tierra el sistema. a) Sistema sólidamente puesto a tierra. Se tiene que: X o/x 1 3 e 0,8 Los valores que se pueden asumir son: - Tensión fase-tierra VTG, (en fases sanas durante falla a tierra) igual a 1,4 veces la tensión fase-tierra (sin falla a tierra). Su determinación exacta se hace mediante la simulación del sistema en la que se involucren todos sus componentes. - Tiempo de duración de la falla. Se calcula de acuerdo con los esquemas de protección implementados para el despeje de la falla, por lo que pueden variar de un sistema a otro. Por ejemplo : t f = 1 s; t f = 10 s; t f = 30 s. 14

18 b) Sistema no puesto a tierra. Se tiene que: X o /X 1 > 3 Los valores que se pueden asumir son: - Tensión fase-tierra VTG igual a 1,73 veces la tensión fase-tierra (sin falla a tierra). - Tiempo de duración de la falla. Se calcula de acuerdo con los esquemas de protección implementados para el despeje de la falla, por lo que pueden variar de un sistema a otro. Por ejemplo : t f = 1 s; t f = 10 s; t f = 30 s Condiciones anormales de operación. Se deben determinar las sobretensiones que se pueden presentar por condiciones anormales de operación. a) Cambio en la condición de puesto a tierra. La desconexión de los medios de puesta a tierra ocasiona un aumento de la sobretensión temporal. Se ha considerado el caso más crítico el cual ocurre cuando se desconecta la tierra de la reactancia o de la resistencia de puesta a tierra. b) Doble ocurrencia de eventos. Por ejemplo, si durante un rechazo de carga ocurre una falla a tierra, la tensión en las fases sanas tiende a aumentar mucho más que si únicamente ocurriese uno de ellos, este efecto se tiene en cuenta si se considera una sobretensión temporal mayor Tensión nominal del pararrayos. a) Tensión preliminar V o a partir de VOC. Con base en el valor de Vm calculado como se indica en el numeral , se obtiene la tensión continua de operación VOC = Vm/ 3 para pararrayos conectados entre fase y tierra en un sistema trifásico. Con el valor de VOC calculado se obtiene V o = VOC/Ko. Asumiendo que Ko = 0,8 (factor de diseño) se obtiene la Tabla 2. Tabla 2. Tensión preliminar (Vo) Vn Vm VOC Vo 1,0 1,1 1,1/ 3 (1,1/ 3)/0, ,86 87, ,6 41,9 52,4 34,5 38,0 21,9 27,4 13,8 15,18 8,76 10,95 15

19 b) Tensión preliminar V 1 calculada a partir de VTG. VTG = Ke x VOC VTG = 1,4 VOC para sistemas puestos a tierra. VTG = 1,73 VOC para sistemas no puesto a tierra. V 1 = VTG K 1 K t = 1,15 para un tiempo de duración de falla igual a 1 s. K t = 1,1 para un tiempo de duración de falla igual a 10 s A partir de los anteriores valores se obtiene la Tabla 3. Tabla 3. Tensión nominal preliminar del pararrayos (V 1) Vn Vm VOC VIG Sistema Aterrizado V 1 Sistema Aislado V 1 1,0 1,1 1,1/ 3 1,4 (1,1/ 3) 1,4x(1,1/ 3)/1,15 1,73x(1,1/ 3)/1, ,86 97,8 85, ,6 41,9 58,7 51,0 65,9 34,5 38,0 21,9 30,7 26,7 34,44 13,8 15,18 8,76 12,2 10,66 - c) Selección final de la tensión nominal del pararrayos. Se efectúa de acuerdo con lo establecido en el numeral , encontrándose los resultados consignados en la Tabla 4. Tabla 4. Tensión nominal seleccionada V Vn Vo V1 V 110 (y) 87,32 85, (Y) 52,4 51, (D) 52,4 65, ,5 (V) 27,4 26, ,5 (D) 27,4 34, ,8 (Y) 10,95 10,

20 El símbolo entre paréntesis indica si la conexión considerada es estrella puesta a tierra (Y) o delta (D) Corriente de descarga. Se elige un pararrayos de intensidad nominal de 10 ka. A partir de los catálogos suministrados por los fabricantes de pararrayos se seleccionan las siguientes características : - Tensión nominal. - Tensión residual con impulsos de corriente 8 µs /20 µs. Las características seleccionadas se consignan en la Tabla 5. Tabla 5. Características seleccionadas 110 kv 66 kv 34,5 kv 13,8 kv 5 ka 244 kv 153 kv 77 kv 31 kv 10 ka 264 kv 165 kv 83 kv 33 kv 20 ka 294 kv 184 kv 92 kv 37 kv 2 ID V nv r Zc Para el ejemplo se toman los siguientes valores : n = 1 Zc = 400 Ω V = valor máximo de las sobretensiones atmosféricas 20 % mayor que el impulso tipo rayo suponiendo que la onda no sufre atenuación en su recorrido. En este ejemplo se toma un valor igual al 120 % de NBA. A continuación se efectúa el cálculo para 110 kv, realizando el mismo proceso con los demás niveles de tensión con el fin de verificar que la corriente nominal elegida es superior a la calculada. Se asume en este caso que la sobretensión atmosférica es una onda de magnitud igual a 550 kv. V = 550 kv X 1,2 = 660 kv Si Zc = 400 Ω, (2 X 660 kv) kv entonces Id = = 2,64 ka 400 Ω 17

21 De igual manera V, n y Zc pueden ser determinados de acuerdo con las características particulares de cada sistema Margen de protección. Para el cálculo con un valor de 110 kv, el margen de protección es: 450 kv kv MP = X 100 % = 70,45 % 264 kv Los márgenes de protección obtenidos para los demás niveles de tensión se consignan en la Tabla 6. Tabla 6. Márgenes de protección Vn (kv eficaces) NBA (kv P) R (IEC 71) (kv eficaces) Ur (kv P) MP % ,45 66 (Y) ,6 66 (D) ,8 34,5 (V) ,9 34,5 (D) ,7 13,8 (Y) ,0 Estos valores se consideran aceptables considerando que el pararrayos está montado directamente sobre el equipo por proteger. El margen de protección se reduce en la medida que el pararrayos se instale alejado dicho equipo. Para aclarar este concepto se indica el siguiente ejemplo : Se toma un MP = 43,8 % para pararrayos clase 75 con nivel de tensión del sistema igual a 66 kv y se localiza el pararrayos a 5 m del transformador que se quiere proteger. Véase el numeral La onda incidente será : V = 300 m/s Ut = kv/µs Id = 10 ka Vr = 226 kv En este ejemplo no se considera Rt y se asume que L 1 es despreciable. 18

22 De acuerdo con la fórmula indicada en el numeral se obtiene: Ve = Vr + 2 Vt L v 2 x 1000kV / µ s x 5m Ve = 226 kv m / s Ve = 259,33 kv Con lo cual MP = 325kV 259, 33kV 259, 33 m / s x 100% = 25, 32 5 De lo que se deduce que cuando se ubica el pararrayos retirado del equipo por proteger, se reduce el margen de protección de 43,8 % a 25,32 % por lo que se recomienda instalar el pararrayos lo más cercano posible al equipo, especialmente si el sistema es aislado Capacidad de disipación de energía. a) Debida a la conmutación. Se determina lo siguiente: - Impedancia característica de la línea Z: 400 Ω - Longitud de la línea: 50 km - Vov : 2,6 p.u. Vov sistema = 2 (2, 6 ) 3 Para 110 kv : Vov = 2/3 (2,6 x 110) = 233,5 kv - Vr, para una corriente esperada de 1 ka: 212 kv T = 50 km 0, 3 x 10 5 km / s - Número de descargas consecutivas: 1 19

23 A partir de los datos anteriores se calcula E. E = , 5 x x x ( 212x 10 x 2 x x 1) E = 3805,93 J 4 kj La capacidad de energía para la tensión nominal es: 4 kj 196kV = 0, 02kJ / kv b) Debida a descargas atmosféricas. E = Vr X I X t X n I = 10 ka Vr = 264 kv t = 20 µs (asumido) n = 2 (descargas consecutivas sin enfriamiento) E = 264 X 10 3 X 10 4 X 20 X 10-6 X 2 E = J = 105,6 kj La capacidad de energía con tensión nominal es: 105, 6 kj = 0, 54kJ / kv 196kV 4.2 NORMAS QUE DEBEN CONSULTARSE NTC 2166, Electricidad. Descargadores de sobretensiones. Pararrayos. NTC 2628, Electrotecnia. Dispositivos de sobretensiones. Pararrayos tipo expulsión. 20