PARARRAYOS

•Fuentes de Sobretensiones•Protección contra Sobretensiones•Función de un Pararrayo•Diseños/Construcción de Pararrayos•Factores que Afectan la Protección del Transformador•Verificando los Pararrayos en servicio

Los Temas de Hoy

Fuentes de Sobretensiones

� Internas o externas al sistema� Rayos

• Rayo directo• Inducción

� Sobretensiones por maniobras� Sobretensiones Temporales

• Fallas de línea a tierra• Incremento en fases sin falla

Incidencia e Intensidad de Rayos

12 de Abril de 1995 – 31 de Diciembre de 1997

ÓrbitasÁreas

DestellosGruposEventos (Creado

� El Rayo es una fuente de corriente� Energía de las nubes liberada como sobrecorriente

momentánea� Los voltajes asociados con rayos son una función de l

impulso de corriente e impedancia del circuito� Los rayos cercanos pueden inducir una carga en al l ínea� El voltaje se propaga como una onda viajera

Rayos y Sistemas de Energía

Protección contar Sobretensiones

� Nivel Básico de Aislamiento al Impulso (BIL)• Típicamente 95 a 150 kV en equipo de distribución

� Pararrayos• “Un dispositivo de protección para limitar el voltaje en el equipo

mediante descarga o desviación de la sobrecorriente…”

� Cables Blindados• Usados para blindar a los cables de fase contra rayos directos• Comúnmente empleados en líneas de transmisión• El neutro aterrizado en la parte superior de la linea puede actuar

como cable blindado para circuitos de distribución

Certificaciones del Pararrayos

� IEC 60099-4 es la Norma Europea. � IEEE C62.11 es la Norma que rige la certificación del

diseño de los Pararrayos� Certificaciones estándar de otros países y servicios

públicos. � Las clasificaciones estándar del Pararrayo requieren

diferentes requisitos en pruebas de certificación.

Ondas Viajeras

� Causadas por un cambio repentino en el voltaje o corriente

� Tiempo requerido para que la sobrecarga se propague hacia abajo en la línea

� Las ondas son reflejadas o refractadas en los puntos abiertos de la línea• En un punto abierto, la onda de voltaje se refleja

completamente de modo que se dobla su magnitud

Onda de Corriente

� La onda de corriente 8/20 (se pronuncia 8 por 20) es usada por los fabricantes para simular la corriente de un rayo para probar el diseño de los Pararrayos de distribución

� “8” es el tiempo de elevación del pico en microsegundos

� “20” es el tiempo para llegar a un 50% del valor del pico

� Los rayos del mundo rea usualmente tiene un tiempo de elevación pico de 1 a 4 microsegundos.

Función de un Pararrayo

� Limita el voltaje a través de sus terminales a un cierto valor

� Soporta el voltaje nominal línea a tierra� Facilita la conducción (“enciende”) durante

sobrecargas� Resella (“apaga”) después de pasar la sobrecarga

¿Qué hace un Pararrayo?

TransformadorSin Pararrayo

Voltaje de Distribución

Bajo Voltaje

Transformador

Bajo Voltaje

TransformadorCON

Pararrayo

Voltaje de Distribución

•No Absorbe el rayo

•No Detiene el rayo

•Sí desvía el rayo

•Sí corta (limita) el voltaje producido por el rayo

•Sí protege el equipo instalado en paralelo.

¿Qué hace un Pararrayo?

Tecnología MOV del Pararrayo

� Introducida en 1970� Discos MOV comportamiento altamente no lineal

como los discos de SiC, ya no se requiere de huecos(gaps)

� Términos• Ur – Voltaje Nominal o de Voltaje de Trabajo por ej. 10, 12,

15, 18 kV..360• Uc = Voltaje de operacion máximo continuo• Capacidad de Sobretensión Temporal (TOV)

> Durante cuánto tiempo puede sobrevivir un Pararrayo cuando se opera por encima de su Uc.

Cómo trabajan los Pararrayos MOV

� Discos MOV altamente no lineales• Dispositivo semiconductor• Características V-I

� “Opera como una valvula controlado por voltaje”• Entra en conducción cuando el voltaje se eleva arriba del

voltaje de operacion• Se apaga después de pasar la sobrecarga

Voltaje de Descarga del Pararrayo

MCOV

Amps

Volts, kV

Ideal

20Ka

SiC

100a

MOV

Tecnología de Pararrayos SiC vs. MOV

� Pararrayo MOV �Pararrayo de Carburo de Silicio

Distribución de Voltaje

CARBURO DE SILICIO

CARBURO DE SILICIO

CARBURO DE SILICIO

CARBURO DE SILICIO MOV SIN HUECOS

El Proceso de Fabricación del Disco Tecnología y Experiencia

� Inspección y Aceptación del Material� Preparación del Polvo (material principal de Zn0)� Formado� Sinterización � Acollarado� Pulido� Metalizado � Pruebas

Construcción interna del Pararrayo MOV

Electrodo

Disco MOV

Electrodo

Construcción del Pararrayo

– La mejor opción; El envolvente

� El material del envolvente de polímero de Cooper Power Systems es el Hule Silicon.

Hule Silicon

� El Hule Silicon tiene ventajas sobre los otros materiales de polímero en:• Capacidad para repeler el

agua.• Menores pérdidas de watts

superficiales al estar mojado.• Mayor resistencia al daño de

radiación UV.

Hule Silicon vs

Polímeros EPDM

Definiciones de Material

� Estructura de EP (Etileno Propileno) de EPDM y EPR• EPDM (Monómero Dien de Etileno Propileno) • EPR (Hule de Etileno Propileno)

Hule Silicon

• ¿Porqué usar Hule Silicon en lugar de otros materiales de polímero?

> La experiencia y pruebas nos dicen que es el mejor material respecto a desempeño de aislamiento a largo plazo.

El Material del envolvente de Hule Silicon UltraSIL Resistencia contra Radiación UltravioletaEnergía

(kJ/m)500

450

400

350

300Energía de Enlace de Polímeros Basados en

Carbono (EPRs, EVAs)

(Luz del Sol ) Energía de Enlace del Caucho de Silicio

UltraSIL

La energía de enlace molecular del Hule Silicon UltraSILTM es más fuerte que la energía de la radiación UV

El Hule Silicon tiene la superficie hidrofóbica

de más larga duración del

mercado

Lo que Lo que significa significa una vida una vida

más larga más larga y menos y menos corriente corriente de fugade fuga

A diferencia de…

Otra marca

después de 5 años

�� UltraSILUltraSIL ™™ después después de 5 añosde 5 años

Hule Silicon

EPR’s vs Hule Silicon

Diferencia Importante

� Los hules EPR se basan en carbono

� Los hules silicon se basan en silicio

¡Los polímeros basados en carbono no se desempeñan como el hule de silicio, sin importan cuanto “aceite de

silicio” se les agregue!

� Alivio de presión� No controlado

direccionalmente

� Fuerza de cantilever� Más baja

� Peso� Bajo-10kv 4 kg

Porcelana vs. Hule de Silicon

� Alivio de presión� Controlado

direccionalmente con puertos

� Fuerza de cantilever� Más alta

� Peso� Alto-10 kv 22 kg

Pararrayos de Distribución de Porcelana – Sin capacidad de soportar Altas corrientes de

� Los Pararrayos de Hule de Silicon

UltraSIL de 10kA tienen una capacidad

de resistencia de corriente de falla de

20kA.

� Los Pararrayos de distribución de

porcelana típicamente no tienen

capacidad de soportar altas corrientes de

fallas (se rompe)

• Explotan potencialmente si se

dañan internamente lo cual puede

lastimar personas y destruir

propiedad.

Desconectadores

� Desconectador e indicación visual si el Pararrayo se daña internamente

� Si el aislador opera, entonces reemplace el Pararrayo.

Seleccionando un Pararrayo

� Magnitud de TOV • Pararrayos usualmente seleccionados con el voltaje máximo

de fase a tierra en una fase sin falla durante falla de una linea a tierra

� Régimen Nominal de MCOV � Coordinación de Aislamiento

• Máximo voltaje de descarga> Voltaje de descarga más bajo = mejor para el equipo

� Material del envolvente� Tornillería de montaje

Ejemplo Seleccione un Pararrayo para una aplicación de distribución aérea. El sistema está aterrizado en estrella, 12470 kVLL o 7200 kVLN.

Solución:

Determine el voltaje nominal del Pararrayo con base en el (Uc) MCOV

VMAX(L-G) = (VLN )(Factor de regulacion)Factor de regulación = 5%VMAX(L-G) = 7200 x 1.05 = 7560 V

Se necesita un (Uc) MCOV de 7560 V o más. Los Pararrayos de Voltaje Nominal de 9 kV (Ur) tienen un MCOV (Uc) de 7650 V.

Determinando el (Uc) MCOV

Falla de Fase a Tierra y Sobretension Temporal (TOV ) en fases sin falla

Aumentos de Voltaje Individuales de Línea a Tierra (TOV) en Fases sin Falla para Diferentes Configuraciones de Sistema

Tipo de Sistema Sobretensión por unidad

Estrella Multi Aterrizada de Cuatro HilosCable Espaciador (Estrella 4 hilos)Baja Impedancia de Tres Hilos AterrizadoAlta Impedancia de Tres Hilos AterrizadoDelta

Determinando la Sobretensión Continua Máxima del Pararrayo (Uc)

� Ejemplo � Delta de 23kv, falla de 100 seg, factor de regulaci ón = 5%� Vmax=(23/1.73)1.05 = 13.3kV� Max TOV durante falla de Fase a Tierra? � Vtov= 13.3(1.73) / p.u. Uc a 100seg (curva de TOV)� = 23/1.217 = 18.9kV � Se necesita Voltaje nominal del Pararrayo (Ur) con Uc de

Pararrayo > 18.9 kV para que el Pararrayo soporte los requerimientos de TOV del sistema

� Pararrayo con Voltaje nominal de 24 kV con Uc de 19 .5kV

Curvas de TOV (Sobretension Temporal) Típicas del Pararrayo

Con energia PreviaSin energia Previa

Tiempo (Seg)

Vo

ltaj

e (C

OV

po

r u

nid

ad)

Apartarrayo clase Bajo Voltaje (Secundario)

� Apartarrayo Storm Trapper� Modelos de 1, 2 y 3 Fases en 175, 240,

480 y 650 Voltios Nominales.� Tres Opciones:

• Montado Externo• Con Gabinete de Metal• Montado Bajo Aceite

Clase de Bajo Voltaje (Secundario)

� Pararrayo Baja Tension para protegen contra sobrecargas que se presenten en el lado secundario del transformador.• Se estima que 50-70% de todas las

fallas de transformadores se deben a descargas del lado BT.

Pararrayos Clase Distribución Subterranea

� Otro tipo de Pararrayos clase distribución es el que se usa en sistemas subterráneos.• Pararrayos Tipo Codo y

Boquilla Estacionaria.

Pararrayos Clase Distribución

Pararrayos con Envolvente de Hule UltraSIL

� MOV • 5 kA

• (10 kA)

Pararrayos Clase Estación

� Envolvente de Porcelana• AZG2, AZG3, AZG4• AZES AZEH, AZEX

� Envolvente UltraSIL (Hule silicon)• U2, U3 y U4• US, UH, UX

Productos Opcionales disponibles para Pararrayos de Estación

� Contadores de sobrecarga

� Bases Aislantes

Los Contadores de Sobrecargas y las Bases Aislantes que se usan con Pararrayos de carburo de Silicio para monitorear descargas disruptivas en e ntrehierros no son necesarios para los Pararrayos MOV

2 TIRAS DE TIERRA DE CORRIENTE DE COBRE EN PARALELO Pararrayo

TORNILLERÍA M12 (TÍPICA

CONTACTO AUXILIAR

OPCIONAL

SOPORTE DE BASE DEL AISLADOR

TORNILLERÍA PROPORCIONADA

COLGADOR DE SOPORTE PLANO PROPORCIONADO CON LA BASE

AISLANTE (VER NOTA 1)

(324 mm) DE REFERENCIA

TORNILLERÍA DE 12 mm o .5” DE ESTRUCTURA NO PROPORCIONADA

ESTRUCTURA DEL CLIENTE

(304 mm) DE REFERENCIA

Factores que Afectan la Protección de los Transformadores

� Voltaje de descarga del Pararrayo (LPL)� Longitud del cable

• Montaje del Pararrayo• Cables con bobina

� Rango de incremento de sobre corriente� Deterioro de BIL

Seleccionar un Pararrayo para una aplicación de distribucióaérea. El sistema es Delta, 13200VLL .

Selección del Pararrayo

•Determinar el voltaje nominal del Pararrayo con base en Uc

VMAX(L-G) = (VLN )(Factor de Regulacion )Factor de regulación = 5%VMAX(L-G) = 7621 x 1.05 = 8002V

¿Usar un Pararrayo con régimen nominal de Ur con Uc >= 8002V o más?.

• Calcular el voltaje de Línea-Neutro/Tierra

VL-N = VL-L/1.732 = 13200VLL/1.732 = 7621V

Un Pararrayo de 10 kV tiene un Uc de 8400V. ¿Esto es Aceptable?

Respuesta: No

Selección del Pararrayo

¿Qué voltaje nominal del Pararrayo (Ur) tiene un Uc por encima del voltaje L-L de 13200V x 1.05 (factor de regulación ) = 13,860V?

Un Circuito en Estrella no Aterrizado o Delta puede experimentar voltaje Línea a Línea en las fases sin falla durante una falla L-N/L-G. Se tiene que seleccionar un voltaje nominal de Pararrayo con Uc por encima del voltaje L-L.

Respuesta: Pararrayo con Voltaje nominal de 18kV (Ur) con Uc = 15.3 kV