Apartarrayos en SE Alta Tension
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APARTARRAYOS
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1.INTRODUCCION
2.DEFINICION
3.TIPOS DE APARTARRAYOS
4.CONSTRUCCION
5.ACCESORIOS
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1.INTRODUCCION
En los Sistemas Elctricos de Potencia, las sobretensiones en
la red pueden nombrarse en tres grandes grupos:
Sobrevoltajes por descargas atmosfricas.
Sobrevoltajes por maniobras
Sobrevoltajes temporales.
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Sobrevoltajes por descargas atmosfricas:
Voltaje transitorio causado directamente por un rayo sobre
una lnea area, un hilo de guarda o bien una torre detransmisin, aunque tambin puede presentarse por
induccin de lneas adyacentes o estructuras metlicas.
Entre el 80 y 90 % de estos fenmenos tienen polaridad
negativa y los valores de corrientes oscilan entre los 30 y
50 kA con mediciones mximas de 300 kA. La duracin
normal va desde los 10s100s.
El nivel de sobrevoltaje que puede presentarse dependede la amplitud de la corriente de impulso al rayo y de la
impedancia de onda de la lnea y puede alcanzar algunos
millones de Volts.
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Sobrevoltajes por maniobras
Se presentan como resultado de fenmenos transitorios
causados por: fallas a tierra, maniobras en lneas capacitivas
o inductivas, rechazos de carga, ferroresonancia, etc.
Su duracin va desde los 30s3000s. La frecuenciaest dentro del rango de los 100 Hz hasta los 10kHz. El valor
va comprende 2 p.u. o 3 p.u. (1 p.u. = 2Us / 3)dependiendo del nivel de voltaje del sistema, segn IEC
60071-1 estos sobrevoltajes pertenecen a la clase de Show-front overvoltages.
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Sobrevoltajes temporales.
Sobrevoltajes en frecuencia del sistema cuya duracin vadesde centsimas de segundo hasta algunos pocos
segundos como resultado de operaciones por maniobra o
fallas en el sistema.
Su valor depende del modo de aterrizamiento del neutro de
la red. Un caso especial se presenta en sistemas resonantes
aterrizados y sistemas con neutro aislado, donde el voltaje de
fase-tierra de las lneas sanas asumen el valor de voltaje de
fase-fase.
Esta condicin de operacin puede durar mucho tiempo
(hasta algunas horas).
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Ahora bien, tras estas breves definiciones, nos damos
cuenta que existen fenmenos que influyen directamente en
la Coordinacin deAislamiento, que nos lleva a una nueva
y corta explicacin:
Coordinacin de Aislamiento
Comprende la seleccin del grado y fortaleza de los
aislamientos de equipos en relacin a los voltajes que
puedan ocurrir en el sistema para el cual stos fueron
diseados, tomando en cuenta el ambiente de servicio y LAS
CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS DISPONIBLES DEPROTECCION CONTRA SOBREVOLTAJES.
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2. DEFINICION
Como podemos darnos cuenta, segn el ltimo prrafo del
captulo anterior, existen dispositivos de proteccin contra
sobrevoltajes, estos se denominan entre otros - Surge
Arrester cuya traduccin tcnica nos lleva a Derivador deSobretensiones, aunque es bien conocido en el medio comoApartarrayos.
Para valorar su importancia como equipos de proteccin,
basta analizar la grfica siguiente:
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3
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0 Sobrevoltajespor Rayos
(microsegundos)
Sobrevoltajes por
Maniobras
(milisegundos)
Sobrevoltajes
Temporales
(segundos)
Voltaje Nominal
del Sistema
(continuo)
Duracin del Sobrevoltaje
Magnitudd
eSobrevoltaje/p.u.
Sobrevoltaje admisible en equipos
Voltaje limitado por apartarrayos
Sobrevoltaje Posible sin apartarrayos
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El rango de sobrevoltajes por maniobras y especialmente
los sobrevoltajes por rayo producen esfuerzos dielctricos
que los aislamientos de equipos asociados no podran
resistir, es aqu donde los Apartarrayos entran en accin,porque en operacin normal, el voltaje que se presenta en
las terminales de los equipos mientras se mantenga unadecuado margen de seguridad se establece por debajodel sobrevoltaje admisible. En conclusin, los Apartarrayos
se designan para sobrevoltajes por maniobra y por rayo.
3. TIPOS DE APARTARRAYOS.
Apartarrayos autovalvulares (no descritos en el presente)
Apartarrayos de xidos metlicos (objetos de estapresentacin)
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Aunque los Apartarrayos del primer tipo an permanecen
en uso, en la actualidad han sido desplazados por
aquellos fabricados a partir de xidos metlicos (en ingls
MO) en sistemas de alta y extra alta tensin, esto debidoprincipalmente a su extraordinaria caracterstica no lineal
tensin-corriente (tambin designada como caracterstica
U-I).
Esto significa bsicamente que para los niveles de voltajenominal del sistema de potencia, las corrientes a travs
del Apartarrayos son tan pequeas, que casi se comporta
como un aislador.
Ahora bien, si corrientes dentro del rango de kilo amperesson aplicadas al Apartarrayo, como en el caso de
sobrevoltajes por rayo o maniobra, entonces el voltaje
entre sus terminales permanecer bajo a fin de proteger el
aislamiento de los equipos asociados cercanos.
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Para fines ilustrativos nicamente, en la siguiente figura se muestra una
caracterstica tpica de un Apartarrayos de xidos metlicos conectado entre
fase-tierra para un sistema de 420 kV slidamente aterrizado, donde en el eje
de las ordenadas se representan de manera lineal los valores cresta de voltaje,
mientras que en el eje de las abcisas se dan en escala logartmica los valores
de corriente, as que la caracterstica se extiende desde un rango de 50 microamperes hasta 50 kilo amperes.
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Partiendo de izquierda a derecha de la grfica se
encuentran algunos conceptos que brevemente se
explican:
Leakage current: es la corriente que fluye de maneracontinua a travs del Apartarrayos en operacin nominal
para el nivel de tensin de diseo. Formada bsicamente
por una componente altamente capacitiva dependiente del
tipo de xidos metlicos usados (MO en ingls) y por unapequesima componente resistiva. Sus valores nominales
oscilan entre 0.5 mA y 2 mA.
Continuos operating voltaje: Es el valor rms de voltaje
permitido para ser aplicado en forma continua entre lasterminales del Apartarrayos, cuyo smbolo es de acuerdo a
las normas IEC representado por Uc.
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Rated voltage: Es el valor rms mximo permitido de
voltaje entre las terminales del Apartarrayos y que estdiseado para operar correctamente para condiciones de
sobrevoltajes temporales.
Su smbolo bajo IEC es Ur.
Nominal discharge current: Es el valor cresta de unacorriente de impulso por descarga, segn IEC, para
sistemas de alta y extra alta tensin clasifica en cinco
grupos este valor: 1.5 kA, 2.5 kA, 5 kA, 10 kA y 20 kA. Para
sistemas de distribucin, el criterio es otro, adems,
ciertamente el valor nominal no describe totalmente este
valor, otros parmetros debern tomarse en cuenta.
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4. CONSTRUCCION DE APARTARRAYOS DE
OXIDOS METALICOS.
En la figura siguiente se muestra un corte transversal de
un apartarrayo tpico en aislador de porcelana utilizado en
sistemas de alto voltaje.
Para dar una idea generalizada de la composicin de losxidos metlicos podemos mencionar que la mayora
estn compuestas de 90% de xido de zinc (ZnO) de aqu
que sean llamados Apartarrayos de Oxido de Zinc. Elotro 10% est compuesto por al menos 10 diferentes
aditivos en forma de xidos de elementosllamadostierras raras (Bi, Sb, Co, Mn), los cualesfinalmente constituyen desde unas pequeas ppm hasta
un mnimo porcentaje del total de la masa.
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La columna de resistencias de oxidosmetlicos (En inglsMetalic Oxides MO) en conjunto con la parte de soporte
constituye la parte activa real del Apartarrayos.
La columna se forma a partir de piezas individuales de
estos MO puestos uno sobre el otro.
Los MO son casi invariablemente fabricados de formacilndrica, y su dimetro determina decisivamente sucapacidad de absorcin de energa y de corriente.
Para casos de distribucin, el dimetro es de 30 mm y
puede llegar hasta 100 mm o ms para aplicaciones en altay extra alta tensin donde las necesidades de absorcin y
conduccin son mayores.
A continuacin una ilustracin de los xidos metlicos.
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Algunas formas de Oxidos Metlicos
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Los MO varan en espesor entre los 20 y 45 mm. El voltaje
residual por mm de espesor para una corriente de impulso
al rayo de 10 kA (peak value) est en el rango de 450
V/mm para un apartarrayos tpico en redes de distribucin(32 mm de dimetro).
Para sistemas de alta tensin, podemos hablar de 280
V/mm (70 mm de dimetro). Si consideramos ahora 45 mm
de espesor, este MO tiene un voltaje residual de 12.5 kV,si deseamos obtener una columna diseada para soportar
niveles de 823 kV, ser necesario apilar una columna de
66 resistores MO con una altura aproximada de 3 metros,
obviamente el diseo y fabricacin de una columna de estaaltura en una sola pieza es sumamente difcil, por ello es
que para tales tensiones, generalmente los Apartarrayos
estn compuestos por mas de una columna conectada en
serie.
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La longitud de la columna de resistores es ajustada a la
longitud de la columna aislante que los contiene por
medio de espaciadores metlicos, (metallic spacers) que
en principio son tubos de aluminio con tapas finales a finde obtener una distribucin uniforme en la presin de
contacto; en otros casos, sin embargo, se utilizan cuerpos
slidos cilndricos de aluminio que a su vez sirven como
disipadores de calor e incrementan as la capacidad de
absorcin y disipacin de energa de los Apartarrayos.
Las columnas de resistores as dispuestas deben asirse
mecnicamente al cubculo que los contiene, para ello se
disponen de barras (supporting rods FRP) que por un lado
mantienen la posicin de los resistores durante el
transporte o bien cuando el Apartarrayos es colocado en
posicin diferente a la vertical, adems de proporcional
cierta presin axial de contacto, de manera que los
esfuerzos comunes pueden ser fcilmente manejados.
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Estas barras, de entre muchas variantes son diseadas y
fabricadas en fibra de vidrio reforzadas en plstico y stas
envuelven a la columna de resistores MO como si fuerauna jaula.
Adicionalmente, se disponen de unas placas de soporte
(holding plate FRP) tambin del mismo material dispuestos a intervalos que por una parte limitan la torsinde las barras de soporte y adems dan rigidez a toda la
columna contra efectos de flexin.
Finalmente, un resorte bastante robusto colocado en la
parte superior y al final de la columna, (compression ring)
comprime a la parte activa dentro del alojamiento. (En
algunos casos, ser necesario disponer de dos o mas
resortes para tal funcin).
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Las exigencias en cuanto a las propiedades elctricas y
mecnicas que deben considerarse en el diseo e
implementacin en las bases de alojamiento (porcelain
housing) comprenden el hecho de que bajo todas las
condiciones de operacin debe mantenerse libre de
descargas parciales, adems, por el aspecto mecnico
aparte de la solidez, la resistencia a altas temperaturas y
el desgaste se debe tener elementos retardantes al fuegoy autoextinguibles.
Para sistemas de Alto Voltaje, an hoy en da la porcelana
sigue vigente para alojar los elementos activos de los
Apartarrayos, combinada en los extremos inferior einferior con partes de aluminio (aluminum flange) sujetas a
sta con ayuda de ciertos cementos (cement joint) . Laventaja de utilizar aluminio de uso intemperie, permite
evitar la aplicacin de pinturas o recubrimientos a los
mismos.
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Para cumplir los requerimientos mnimos de cumplimiento
sobre la calidad de las porcelanas se pueden referir la
norma IEC 60672.3, y por lo general, para la fabricacinde aisladores para Apartarrayos, solo dos tipos son
utilizados:
Porcelana de Quarzo: Subgrupo C110 : Porcelanas a
base de slices (IEC 60672-3).
Porcelana de Almina: Subgrupo C120: En relacin a la
anterior, presenta el doble de resistencia mecnica. (IEC
60672-3).
En general, el color de la porcelana es poco relevante,
generalmente el color caf (RAL 8016) es el mas usado,
aunque en ciertas partes de Amrica, se pide un color gris.
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Adems de contener las partes
activas del Apartarrayos, otra funcin
de las columnas aislantes de
porcelana es proveer de una
distancia de fuga adecuada entre la
parte viva y tierra, para ello se
emplean formas de campanasdiscontinuas que aseguran una
adecuada interrupcin de camino a
tierra.Para su diseo se siguen las
directrices indicadas en normas IEC
60815.
La diferencia mas grande es las dos
formas mas empleadas: la campana
de tamao uniforme y la de formadiscontinua (una grande y una
pequea). En realidad no existen
parmetros que permitan
recomendar uno u otro tipo.
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Para concluir con la descripcin, debemos mencionar el tipo de
sellado en el Apartarrayos, (sealing ring) que se convierte en punto
crtico durante la operacin del mismo. Distinguimos tres tareas
que deben ser cumplidas por el sellado:
Prevenir la entrada de humedad, lo que determina en mucho la
vida til del Apartarrayos.
Actuar como un dispositivo de rpido alivio de presin en el
eventual caso de una sobrecarga en el Apartarrayos, evitando la
explosin incluso.
Servir como un conductor adecuado de corriente entre la parte
externa del Apartarrayos y la parte activa interna.
En la ltima figura se muestra un sistema de sellado, que se
compone principalmente de un anillo de sello y un diafragma de
alivio de presin, (pressure relief diaphragm). Este sello se halla dos
veces, uno en cada extremo del cuerpo de porcelana del aislador.
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La parte importante es el diafragma de alivio de presinconstituido bsicamente de una placa de pocas centsimas de
grosor de un material de acero o nquel de alta pureza, para
comentar, esta dimensin plantea un reto en trminos de calidad
de manera que se asegure durabilidad contra la corrosin en
forma similar al resto de los elementos del Apartarrayos.
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El diafragma se presiona contra el anillo de sellado
mediante unas grapas metlicas que se atornillan en el
cuerpo metlico de aluminio, considerando los materiales
compatibles a ser usados de manera que las reaccioneselectroqumicas no reduzcan la vida til del conjunto.
La ventaja de utilizar el diafragma es el extraordinario
tiempo tan corto de operacin en caso de una sobrecarga
en el Apartarrayos, que mencin aparte, es una situacinextremadamente lejana aunque no imposible de ocurrir.
En tal caso, gases se generan internamente,
afortunadamente, estos se desfogan a travs de las
salidas previstas para ello (venting outlet). Aunque pueden
ocurrir daos en la porcelana debido a las altas
temperaturas de los gases, los daos generalmente no
afectan mas all.
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5. ACCESORIOS
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Un elemento importante externo
al apartarrayo es el llamado
Anillo Equipotencialsuministrado para instalaciones
en sistemas de Alta Tensin ysobre todo en Apartarrayos
compuestos por dos o mas
unidades independientes.
Estos sirven para el control de la
distribucin de voltajes de la
parte superior a la parte inferior
del Apartarrayos, que se ve
afectado negativamente por las
capacitancias a tierra. Sin estas
contra medidas, la parte activa(MO) en el extremo superior, se
vern sometidas a esfuerzos
mucho mayores que las de la
parte inferior.
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Por ltimo,
mencionaremos un
elemento auxiliar
instalado entre laconexin inferior del
Apartarrayos y tierra: El
contador de descargas.
Este dispositivo requiere
una conexin aisladaentre el Apartarrayos y
tierra y cuenta con un
dispositivo
electromecnico o
electrnico que registrael nmero de
operaciones del
apartarrayo y lo muestra
en un contador.