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PROTECCIN CONTRASOBRETENSIONES

M. en I. ALFREDO JUREZ TORRES

Colegio de Ingenieros Mecnicos Electricistas

5 de Agosto de 2010

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INTRODUCCIN

Las sobretensiones son fenmenos indeseables, que afectan alos equipos y materiales elctricos al daarlos o envejeciendo sus aislamientos, reduciendo su vida til.Las sobretensiones que se presentan en un sistema elctrico, se producen bajo dos causas principalmente que son:

a) Sobretensiones de origen internob) Sobretensiones de origen externo

Las primeras se originan principalmente por la operacin de losdispositivos de desconexin y conexin como: interruptores,seccionadores, restauradores, cuchillas, etc., fallas a tierra y afenmenos de ferroresonancia en el sistema y las segundas pordescargas atmosfricas (rayos).

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Naturaleza de las sobretensiones

1.- Sobretensiones internasSe originan por cambios en las configuraciones de los circuitos, como resultado de maniobras, fallas, as como las relacionadas a la frecuencia fundamental o industrial.

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Estas sobretensiones son el resultado de la conexin o desconexin sbita de cargas inductivas o capacitivas, generando sobretensiones en el sistema, con duracin de 2 a 3 ciclos o milisegundos, cuyos valores pueden incrementarse hasta 5 veces la tensin nominal.

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Tambin se originan por Ferroresonancia, que es un fenmeno indeseable queprovoca sobretensiones que pueden daarlos aislamientos por la operacin de mediosde desconexin monopolar de un circuito,debido generalmente a la capacitancia de lalnea a tierra y la inductancia no lineal osaturable, de los devanados deltransformador que forman un circuito serie,

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donde la reactancia capacitiva iguala a la reactancia inductiva, y la no linealidad la da el ncleo del transformador, de ah el nombre de ferroresonancia y ocurre con mayor frecuencia en los sistemas subterrneos, debido a que presentan mayor capacitancia a tierra; por lo que son ms susceptibles a este tipo de fallas, razn por lo cual todos los medios de desconexin y proteccin, deben de ser preferentemente de operacin en grupo tripolar. A su vez, es ms susceptible de presentarse a medida que se incrementa la tensin. La experiencia ha demostrado que la ferroresonancia es improbable debajo de 12 kV.

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1.1 Medios de PrevencinCon objeto de minimizar las sobretensiones se debenaplicar las siguientes consideraciones:a) Instalar interruptores de operacin tripolar.b) Evitar el cierre o apertura de circuito de

alimentacin de transformadores sin carga.Se aconseja un mnimo de 10 % de carga.Se recomienda energizar primero el cable yposteriormente el transformador.

c) Instalar transformadores con conexin estrella-estrella o conexin zig-zag aterrizados en el primario.

d) Limitar la longitud del cablee) Incrementar el nivel de aislamiento

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1.2 Medios de ProteccinExisten diferentes medios de proteccin que semencionan a continuacin:* Cuernos de arqueo* Hilo de guarda* Apartarrayos

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1.2.1 Cuernos de arqueo.- Es un elemento de proteccin muy simple y econmico, formado por 2 electrodos con extremos esfricos conectados a una lnea con potencial y el otro a tierra, con cierta separacin en aire, que al presentarse una sobretensin suficientemente grande, rompe la rigidez dielctrica, producindose un arco, evitando el dao a los aislamientos.

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Este elemento presenta el inconveniente que al operar, la tensin de lnea se va a tierra, requirindose una proteccin de respaldo pues interrumpe la continuidad del servicio.

Para su instalacin se requiere que el nivel bsico de aislamiento al impulso (NBAI) del equipo, sea mayor que el nivel mayor valor de tensin al que operarn los cuernos de arqueo.

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A su vez, la respuesta es lenta y vara de acuerdo a la calibracin o ajuste de separacin de los electrodos y a la forma de onda de voltaje. Actualmente la tendencia es al desuso.

Sin embargo, existe otro tipo de cuerno de arqueo limitador de corriente, formado por un arillo metlico, colocado en la parte central del aislador y en serie con un apartarrayos, especficamente para proteccin de lnea area de cable semiaislado.

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1.2.2 Hilo de Guarda.- Est formado por un conductor desnudo, generalmente de acero, que se coloca sobre las lneas de distribucin, transmisin y subestaciones de potencia tipo abiertas, el cual se conecta directamente a tierra, cuyas funcin es interceptar las descargas atmosfricas directas.El ngulo de proteccin es entre 30 y 45 con respecto a la vertical.

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1.2.3 Apartarrayos.- Actualmente es el elemento ms eficiente y confiable, que lo ha llevado a ser el ms utilizado como medio de proteccin contra sobretensiones.Normalmente se clasifican de acuerdo a la capacidad en tres tipos o clases:a) Distribucin (son elementos de baja

capacidad y costo)b) Intermedia ( Para zonas de alto nivel

cerunico)c) Estacin o Subestacin (soportan

corrientes de descarga altas)

CCNNIE Existen bsicamente 2 tipos de apartarrayos:

1.2.3.1 Tipo autovalvularEst formado por pastillas de carburo de silicio (elemento no lineal), separados por entrehierros en serie.El entrehierro asla elctricamente el extremo que se conecta a la lnea energizada del extremo opuesto conectado a tierra, bajo condiciones normales de operacin.El elemento no lineal con tensin nominal, se comporta tambin como un aislador de resistencia alta, sin embargo al sensar una sobretensin cambia su condicin, pues reacciona como una resistencia variable inversamente proporcional al valor que se incrementa la tensin (se reduce a 0 resistencia). Esto es, al presentarse la sobretensin, el apartarrayos se transforma en un conductor a tierra y la corriente transitoria fluye a tierra. Posteriormente, la tensin del apartarrayos se restablece a su condicin nominal.

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1.2.3.2 Tipo xido de Zinc (MOV).- Este apartarrayos est formado por pastillas de xidos metlicos u xido de zinc, no requiriendo entrehierros debido a la alta no linealidad del material. Este tipo de apartarrayos, conduce continuamente una corriente a tierra de aproximadamente un miliamper.

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1.3 Seleccin de los ApartarrayosPara seleccionar las caractersticas de los apartarrayos,es necesario definir los siguientes conceptos:

Clasificacin de los sistemas (Tipo A, B,C,D y E) Coeficiente de aterrizamiento ( V/En = 1.31, 1.40,

1.73, 1.90 y nada) de acuerdo con la conexin a tierra del neutro del

sistema. Tensin nominal de conexin Tensin nominal de operacin Capacidad en kA (1.5, 3.0, 5.0, 10, 20 y 40 kA)

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1.5 Instalacin del apartarrayos.-Deben tomarse encuenta las siguientes consideraciones:

El apartarrayos debe instalarse lo ms cercano al equipo a proteger, pero anterior al medio de proteccin contra sobrecorrientes.

Debe instalarse apartarrayos en las acometidas de media tensin, en las subestaciones receptoras y adems en las subestaciones transformadoras

El calibre del conductor debe ser del No. 6 AWG como mnimo (art.280-23 NOM-001 SEDE 2005).

El valor de la resistencia de tierra debe ser de 10 Ohms como mximo (Art.9.2 f de la Norma NOM-022 STPS y Art. 4.3.4.6 de la Norma NMX-J-549-ANCE).

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2.- Sobretensiones externasEstas sobretensiones se generan debido a descargas atmosfricas (rayos) y aunque son de menor duracin(alrededor de 50 microsegundos), causan el mayor nmerode fallas en el sistema.Las descargas atmosfricas, inciden con un valor detensin de varios millones de volts y una corriente demuchos miles de amperes (hasta 250,000 amperes),dependiendo de la zona cerunica. En el apndice D de laNorma NMX-J-549 ANCE, se muestran los mapas de lodiferentes niveles isocerunicos (densidad de rayos porkm2/ao) de los estados de la Repblica Mexicana.

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La longitud de la trayectoria del rayo es variable y puede inducir tensiones en las lneas hasta de 10 km, as como en objetos metlicos ubicados en los techos de las edificaciones como: Antenas de comunicacin, TV, equipos de aire acondicionado, tanques de gas, tuberas metlicas, barandales y escaleras metlicas, etc.

Las alternativas de proteccin, adems de las mencionadas con anterioridad para los sistemas elctricos especficamente son los dispositivos conocidos como PARARRAYOS, que pueden proteger adems las edificaciones.

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Existen bsicamente dos tipos de Sistemas de proteccin contra descargas atmosfricas (pararrayos):

2.1 Sistema de terminales areas2.2 Sistema de una sola terminal o

dispositivo

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* El primer sistema, se disea con base a la teora de la esfera rodante, que consiste en rodar sobre la parte externa del edificio una esfera imaginaria, que represente a una descarga atmosfrica en kA y se define el nmero y ubicacin de las terminales areas que se interconectan entre s, con 2 conductores de bajada que son puestas a tierra.

* El segundo sistema, consiste en colocar en la parte superior del techo un solo dispositivo, desde una simple punta aguda metlica hasta un dispositivo, que de acuerdo al fabricante y bajo su responsabilidad protege un radio con un volumen muy grande.

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3.- Proteccin Interna en las Instalaciones.- Esta proteccin se puede lograr al cumplir con los siguientes conceptos:a) Unin equipotencial de todos los elementos metlicos

de una instalacin.b) Instalacin de Supresores de sobretensiones

transitorias, conocidos tambin como supresores desobrevoltajes, supresor de picos, apartarrayos debaja tensin , varistores o MOVs, del tipo monofsicoo trifsico, cuya caracterstica se da en funcin de latensin de operacin y la capacidad en amperes ojolules.

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Bibliografa* NOM-001 SEDE 2005 Norma de

Instalaciones Elctricas (Utilizacin) * Norma NOM-022 STPS 2008 Electricidad

esttica en centros de trabajo* Norma NMX- J-549 ANCE 2005 Sistema de

Proteccin contra Tormentas Elctricas* Especificacin de apartarrayos de xido de

zinc VA400-43 de CFE* Sistemas elctricos de distribucin.-Juan

Antonio Yebra Morn.-Editorial Revert-2009

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