Calculo Pararrayos

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KVA Equipamentos Elétricos Pararayos de Óxido de Zinc (ZnO)

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Calculo Pararrayos para distribución clase 1, selección.

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KVA Equipamentos Elétricos

Pararayos de Óxido de Zinc (ZnO)

Page 2: Calculo Pararrayos

Critérios para Critérios para especificación, especificación,

selección y aplicación selección y aplicación de pararayos de de pararayos de

Óxido de Zinc (ZnO)Óxido de Zinc (ZnO)

Page 3: Calculo Pararrayos

Los siguientes pasos deben ser seguidos para una

selección y aplicación adecuada de los pararayos de ZnO

para redes de distribución:

Selección del pararayos con base en las informaciones del sistema y determinación de las características de protección

Verificación de la soportabilidad del aislamiento.

Evaluación de la coordinación del aislamiento

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PARARAYOSSELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 4: Calculo Pararrayos

Selección del pararayos y determinaciónde sus características de protección

Selección de la tensión nominal del pararayos;- máxima tensión contínua de operación- sobretensiones temporarias

Definición de la corriente de descarga nominal;

Verificación de las energías a seren absorvidas por los pararayos para surtos atmosféricos y de maniobra;

Determinación de las características de protección de los pararayos para sobretensiones atmosféricas y de maniobra; - definición de los niveles de protección

Soportabilidad a corrientes de corto-circuito;

Condiciones de servicio;

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 5: Calculo Pararrayos

Selección de la tensión nominal de lospararayos

La elección de la tensión nominal deberá ser basada en dos condiciones:

Tensión Contínua de Operación (MCOV) Corresponde al valor límite de tensión eficaz de

frecuencia fundamental que puede ser aplicada continuamente al pararayos sin alteraciones en sus propriedades térmicas y eléctricas.

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 6: Calculo Pararrayos

Selección de la tensión nominal de lospararayos

“Tensión de frecuencia industrialx tiempo” Debido a la elevada capacidad de absorción de energía de los elementos de ZnO es posible que esos absorvan, por un período de tiempo,una cantidad de energía proveniente

de sobretensiones sostenidas, y tenga condiciones de disiparla sin afectar sus características. Esa característica es definida por la curva “Tensión de frecuencia

industrial x tempo” (TOVPR).

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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Curva “tensión de frecuencia fundamental x tiempo” de un pararayos de ZnO tipo distribución

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

0,1 1 10 100 1000 10000

Tempo (seg.)

p.u.

da

MC

OV

Page 8: Calculo Pararrayos

Selección de la tensión nominal de lospararayos

Cuando de la especificación de un pararayos sin centelladores, se debe garantizar que: (1) El MCOV del pararayos sea igual ó superior a la máxima tensión operativa del sistema en el punto de aplicación del pararayos y que, (2) cuando de la ocurrencia de una sobretensión sostenida, la característica tensión de frecuencia industrial versus tiempo de los pararayos debe exceder la característica amplitud de la

sobretensión temporária versus duración para el sistema.

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 9: Calculo Pararrayos

Selección de la tensión nominal de los pararayos

Ejemplo – Definir la selección de la tensión nominal de un pararayos considerando un sistema con las siguientes características:

Tensión nominal Un: 13,8 kVef

Máxima tensión operativa del sistema Umax.: 14,4 kVef

Sistema conectado en deltaDuración estimada para la falla: 10 segundos.

Factor de puesta a Tierra K = 1,73

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 10: Calculo Pararrayos

Seleción de la tensión nominal de los pararayos

La amplitud de la máxima sobretensión temporaria, en el punto considerado será:

TOVSIST. = 1,73 . 2 . Umax. = 1,73 . 2 . (14,4 / 3) = 20,4 kVcr

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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Selección de la tensión nominal de los pararayos de ZnO

TOVPR TOVSIST. / (2. Vn) TOVPR 20,4 / (2 . Vn) TOVPR 14,42 kV durante 10 segundos

Por la curva de TOV del pararayos, la tensión nominal del pararayos debe ser:

Vn 14,42 / 1,12 Vn 12,9 kV

Elegir un pararayos con tensión nominal de 15 kV y MCOV de 12,75 kV.

MCOVPR 14,4 / 3 MCOV 8,31 kV

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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Estimar la intensidad y la forma de onda de la más severa corriente de descarga del

pararayos

I = (2,4. U50 - Vr) / Z0

I Corriente de descarga que fluye por el pararayos.U50 Tensión crítica de descarga de la línea, polaridad

negativa, en Voltios.Vr Tensión residual del pararayos, en Voltios.Z0 Impedancia de surto de la línea, en ohms

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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Capacidad de absorción de energía

Surtos atmosféricos, provenientes de descargas directas sobre los conductores fase de las redes de distribución ó de descargas atmosféricas sobre los cables de los pararayos, provocando descargas de retorno ”backflashover” en las cadenas de aisladores.

Energización ó religamiento de redes aéreas y subterraneas.

Apertura de bancos de capacitores ó cables,através de disyuntores que permitan el reacendimiento ”restrike’’.

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Capacidad de absorción de energía

Sobretensiones atmosféricas:

A energía absorvida por un pararayos durante la ocurrencia de una descarga atmosférica puede ser obtenida a partir de la ecuación abajo:

Upl . Td

E = [ 2 . Uf - N . Upl ( 1 + ln (2Uf / Upl ) ) ] . ------------ Z0

Upl Nivel de protección para impulso atmosférico del pararayos (V)Uf Tensión disruptiva crítica (pol. -) del aislamiento de la línea (V)Z0 Impedância de surto de la línea ()N Número de líneas conectadas al pararayosTd Duración equivalente de la corriente de descarga atmosférica (en

segundos), incluindo la primera descarga y las subsecuentes - Valor típico: 300 s.

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PARARAYOSSELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 15: Calculo Pararrayos

Capacidad de absorción de energía

Sobretensiones atmosféricas:

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PARARAYOSSELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS

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Soportabilidad a corrientes de falla

En caso de una eventual falla del pararayos esos representarán una baja impedancia para tierra, y serán sometidos a corriente de cortocircuito del sistema.

Los pararayos deben ser proyetados para soportar mecanicamente los efectos de las corrientes de cortocircuito, sin fragmentación ó explosión del invólucro (en el caso de pararayos de porcelana y algunos proyectos de pararayos poliméricos) ó sin desprendimiento de los elementos de ZnO (pararayos de ZnO con invólucros poliméricos sin espaciamientos internos de aire).

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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Soportabilidad a corrientes de falla

Corriente de falla que fluye por el pararayos, en caso de una eventual falla:

PCC (MVA)IFALTA = ---------------

3 . Vn

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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Condiciones de servicio

Cuando de la especificación de un pararayos se debe levar en consideración las condiciones ambientales.

4 niveles de contaminación son definidos por la IEC 815:

Liviana: distancia de fuga de 16 mm / kVfase-fase

Moderada: distancia de fuga de 20 mm / kVfase-fase

Alta: distancia de fuga de 25 mm / kVfase-fase

Muy alta: distancia de fuga de 31 mm / kVfase-fase

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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CARACTERÍSTICAS DE PROTECCIÓN DE LOS PARARAYOS SIN CENTELLADORES

Las características de protección son definidas por la IEC 60099-4/98, por la combinación de los siguientes ensayos:

Tensión residual para impulso de corriente confrente íngreme de 1 s;Curva característica "tensión residual x corriente de descarga 8/20 s”Tensión residual para impulso de maniobra

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

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Característica de protección PR’s de ZnO

CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOSCRITERIOS PARA SELECCIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 21: Calculo Pararrayos

Localizar el pararayos lo más próximoposible del equipo a ser protegido

Los puntos de puesta a tierra de los pararayos y de los equipos deben, si posible, ser interligados eléctricamente.

Determinar la tensión em elaislamiento a ser protegido

Para la determinación de la tensión en los terminales del equipo protegido se debe llevar en consideración los efectos de los cables de conexión de la distancia de

separación.

CRITÉRIOS PARA APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS CRITÉRIOS PARA APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 22: Calculo Pararrayos

Tensión en el aislamiento a ser protegidoEfectos de los cabos de conexión

Es importante que ese efecto sea llevado en consideración cuando de la determinación de las tensiones impulsivas de

frente rápida en los terminales de los equipos protegidos.

CRITÉRIOS PARA APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS CRITÉRIOS PARA APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 23: Calculo Pararrayos

Relaciones de protección

TSIACF TSNIA TSNIM MP1 = ----------------- MP2 = --------------- MP3 = --------------- NPFO + V NPIA + V NPIM

TSIACFTensión de impulso atmosférico cortadoNPFO Nivel de protección del pararayos para frente de ondaTSNIA Tensión soportable nominal de impulso atmosféricoNPIA Nivel de protección del pararayos para impulso atmosféricoTSNIM Tensión soportable nominal de impulso de maniobraNPIM Nivel de protección del pararayos para impulso de

maniobraV Valores de tensión a seren adicionados a los niveles de

protección de los pararayos, debido al efecto de la distancia de separación y de las conexiones de los pararayos.

CRITÉRIOS PARA APLICACIÓN DE LOS PARARAYOSCRITÉRIOS PARA APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS

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Ensayos en pararayosEnsayos en pararayos

Page 25: Calculo Pararrayos

Classificación de los ensayos

Ensayos de tipo:

Conjunto de ensayos realizados en cuerpos- de-prueba, específicos para cada ensayo, montados con componentes normales de fabricación, que tiene por objetivo verificar las características del proyeto del pararayos y la conformidad del mismo com las normas técnicas aplicadas. Salvo acuerdo entre fabricante y el comprador, mientras no haya alteración en el proyecto, en los materiales ó en el proceso de fabricación, estos ensayos no necesitan ser repetidos.

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 26: Calculo Pararrayos

Classificación de los Ensayos

Ensayos de rutina:

Consiste en un conjunto de ensayos realizados en cada elemento del pararayo ó pararayos completos, com el objetivo de verificar las características mínimas de calidad y uniformidad de producción de acuerdo con el proyecto.

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 27: Calculo Pararrayos

Classificación de los ensayos

Ensayos de recebimiento:

Consiste en un conjunto de ensayos realizados en elementos del pararayos, ó pararayos completos, en la presencia del comprador ó su representante, con el objetivo de verificar la conformidad de los resultados obtenidos con los valores garantizados por el fabricante.

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

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Normas técnicas aplicablesPara pararayos sin centelladores:

IEC 60099-4/2004 A2 Surge Arresters - Part 4: "Metal-Oxide surge arresters without gaps for a.c. systems".

ANSI C62.11/1999 "IEEE Standard for Metal-Oxide surge arresters for AC power circuits".

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

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Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos de tipo:

1. Ensayos de tensión soportable en el invólucro sin la parte interna activa

2. Ensayo de tensión residual- para impulso de corriente íngreme;- para impulso atmosférico;- para impulso de maniobra;

3. Ensayos de corriente soportable de impulso:- Ensayo de corriente de impulso retangular de longa duración, para pararayos 2,5 kA y 5 kA;- Ensayo de descarga de líneas de transmisión, para los pararayos 10 kA clases 1 a 3 y 20 kA clases 4 y 5;

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 30: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos de tipo:

4. Ensayo de ciclo de operación- Ensayo de ciclo de operación para impulso

decorriente elevada;

- Ensayo de ciclo de operación bajo impulso de

maniobra;5. Levantamiento de la característica "tensión de frecuencia industrial x tiempo"6. Ensayos de alívio de sobrepresión interna, aplicable a pararayos de ZnO clase estación con invólucro de

porcelana ó invólucro polimérico con espaciamientointerno de aire

7. Ensayo de corriente soportable de cortocircuito

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 31: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos de tipo:

8. Ensayos de tensión de radiointerferencia y de ionización interna

(ANSI) 9. Ensayos del desconectador automático, cuando

aplicable.10. Ensayo de polución artificial (ANSI)11. Ensayo de estanqueidad12. Ensayo de medición de las descargas parciales (IEC)13. Ensayo de distribución de corriente, en pararayos multi

columnas;

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 32: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos de rutina:

1. Medición de la tensión de referencia2. Medición de la tensión residual para impulso

atmosférico en corriente de descarga nominal3. Ensayo de medición de las descargas parciales 4. Ensayo de distribución de corriente, en pararayos multi columnas5. Ensayo de estanqueidad

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 33: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayios de ZnO

Ensayos de recebimiento:

1. Medición de la tensión de referencia2. Medición de la tensión residual para impulso atmosférico en corriente de descarga nominal3. Medición de descargas parciales4. Medición de la componente resistiva de la corriente de fuga a MCOV (ET’s)

Ensayos especiales:

1. Ensayo de estabilidad térmica;2. Ensayos de descargas múltiplas

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 34: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos especificos para los pararayos poliméricos:

Con el crescimiento del mercado de pararayos con invólucro polimérico, ensayos específicos se han mostrado muy importantes para la evaluación del desempeño de estos pararayos.

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 35: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos especificos para los pararayos poliméricos:

- Ensayo de corriente de falla

Este ensayo tiene por finalidad verificar la integridad mecanica del pararayos en el caso de su eventual falla, seguida por el paso de la corriente de cortocircuito del sistema.

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 36: Calculo Pararrayos

Soportabilidad a corrientes de falta

La IEC 60099.4/2001, aplicable a los pararayos sin centelladores establece los niveles eficazes de corriente presumble de falta, para los pararayos clase estación y distribución:

La duración mínima de circulación de la corriente de falta de alta intensidad durante el ensayo debe ser de 0,2 segundos, y 1 segundo para bajas corrientes.

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LOS PARARAYOS

Page 37: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos específicos para los pararayos poliméricos:

- Ensayo de penetración de humedad

Ensayo tiene por objetivo simular las condiciones que propician la entrada de humedad en el interior de los pararayos.

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 38: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

Ensayos específicos para los pára-raios poliméricos:

Ensayo de envejecimiento acelerado del involucro aislante

Verifica el desempeño del material polimérico utilizado em el invólucro del pararayos, cuando sometido a diferentes condiciones ambientales.

ENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLESENSAYOS Y NORMAS TÉCNICAS APLICABLES

Page 39: Calculo Pararrayos

Ensayos en pararayos de ZnO

ENSAYOS EN PARARAYOSENSAYOS EN PARARAYOS

Page 40: Calculo Pararrayos

Desempeño de los Desempeño de los pararayos de pararayos de distribucióndistribución

Page 41: Calculo Pararrayos

En condiciones normales de operación los pararayos, además de la exposición a las más adversas condiciones climáticas, pueden ser sometidos a diferentes solicitaciones, que impostas a los pararayos solas ó en conjunto pueden levar al envejecimiento. Estas solicitaciones son:

Tensión normal de operación (pararayos de ZnO) Sobretensiones temporárias Descargas de larga duración ó de alta

intensidad y curta duración Contaminación externa del invólucro Penetración de humedad por pérdida de

estanqueidad

DESEMPEÑO DE LOS PARARAYOS DE DISTRIBUICIÓNDESEMPEÑO DE LOS PARARAYOS DE DISTRIBUICIÓN

Page 42: Calculo Pararrayos

Penetración de humedad por pérdida de estanqueidad del invólucro

Daño de las gaxetas de vedación durante elproceso de cierre de los pararayos;envejecimiento de las gaxetas com el pasar del tiempo, com pérdida de sus propriedades; fisuras en la

porcelana; trincas ó fisuras en la cimentación, em el caso de los pararayos clase estación, etc.

La penetración de humedad altera las características de los centelladores y de los blocos de resistencia no-lineares.

DESEMPEÑO DE LOS PARARAYOS DE DISTRIBUICIÓNDESEMPEÑO DE LOS PARARAYOS DE DISTRIBUICIÓN

Page 43: Calculo Pararrayos

Técnicas de Técnicas de monitoreamento predictivas monitoreamento predictivas

y critérios de diagnostico y critérios de diagnostico para pararayospara pararayos

de ZnOde ZnO

Page 44: Calculo Pararrayos

PORQUE MONITOREAR / DIAGNOSTICAR LOS PARARAYOS EN SERVICIO ?

MONITOREAMIENTO DEL PARARAYOSMONITOREAMIENTO DEL PARARAYOS

Page 45: Calculo Pararrayos

Monitoreamiento del pararayos

Aumenta la confiabilidad de los pararayos en servicio y reduce os costos operacionales de las empresas de energía eléctrica.

Posibilita la detección de pararayos envejecidospermitiendo una retirada programada de servicioantes da la ocurrencia de la falla.

Permite, en algunos casos, el diagnóstico prévio deposibles causas de degradación de los pararayos,aumentando su vida útil.

MONITOREAMIENTO DEL PARARAYOSMONITOREAMIENTO DEL PARARAYOS

Page 46: Calculo Pararrayos

Aspectos Operacionales de los pararayos

NECESIDAD DE APRIMORAMIENTO DE TÉCNICAS DE MANTENIMIENTO PREDICTIVAS QUE PERMITAN

EVALUAR EL DESEMPEÑO DE LOS PARARAYOS DE SiC Y DE ZnO EN SERVICIO.

POSIBILIDAD DE ENVEJECIMIENTO DE LOSPARARAYOS CON EL TIEMPO

EXPOSICIÓN A LAS MÁS ADVERSAS CONDICIONES CLIMÁTICASEXPOSICIÓN A LAS CONDICIONES TRANSITÓRIAS DE LOS SISTEMAS

MONITOREAMIENTO DEL PARARAYOSMONITOREAMIENTO DEL PARARAYOS

Page 47: Calculo Pararrayos

Técnicas predictivas

Técnicas preventivas

Medición de la resistencia de aislamiento. Medición de pérdidas dieléctricas.

Medición de la corriente de fuga total. Medición de la componente resistiva de la corriente. Termovisión. Análisis harmonica de la corriente de fuga.

MONITOREAMIENTO DE PARARAYOS DE ZnOMONITOREAMIENTO DE PARARAYOS DE ZnO