Ubicación optima de pararrayos

7/29/2019 Ubicacin optima de pararrayos

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Universidad de Costa RicaFacultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Elctrica

IE 0502 Proyecto Elctrico

Determinacin de la localizacin y la seleccinptima de pararrayos para un sistema de

distribucin elctrica de media tensin.

Por:Antonio Valverde Muoz

Ciudad Universitaria Rodrigo FacioJulio de 2010


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Determinacin de la localizacin y la seleccinptima de pararrayos para un sistema de

distribucin elctrica de media tensin.

Por:Antonio Valverde Muoz

Sometido a la Escuela de Ingeniera Elctrica

de la Facultad de Ingeniera

de la Universidad de Costa Rica

como requisito parcial para optar por el grado de:

BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA

Aprobado por el Tribunal:

_________________________________Ing. Luis Fernando Andrs Jcome

Profesor Gua

______________________________ ______________________________Ing. Marta Garro Rojas Ing. Wagner Pineda Rodrguez

Profesor lector Profesor lector


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DEDICATORIA

A Dios, San Jos de Cupertino y al Divino Nio, as como a mis padres,

hermanos y abuelos, que me formaron y apoyaron en todos estos aos de estudio.


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RECONOCIMIENTOS

Al ingeniero Luis Fernando Andrs Jcome, por permitirme desarrollar este

proyecto bajo su gua y supervisin.A la ingeniera Marta Garro Rojas y al ingeniero Wagner Pineda Rodrguez, por

su valioso aporte en el desarrollo de esta investigacin.


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INDICE GENERAL

ndice de figuras __________________________________________ vii

ndice de tablas ____________________________________________ ix

Nomenclatura ______________________________________________x

Resumen__________________________________________________ xi

Captulo 1: Introduccin _____________________________________1

1.1 Objetivos______________________________________________________________ 2

1.1.1 Objetivo general _________________________________________________________21.1.2 Objetivos especficos______________________________________________________2

1.2 Metodologa ___________________________________________________________ 3

Capitulo 2: Desarrollo Terico_________________________________4

2.1 Distribucin Elctrica en Costa Rica. ______________________________________ 4

2.1.1 Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A. ________________________________________7

2.2 Descargas Atmosfricas. _________________________________________________ 8

2.3 Efectos Principales de las Descargas Atmosfricas. __________________________ 12

2.3.1 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Directas____________________________12

2.3.1.1 Rayos directos sobre lneas sin hilo guarda _____________________________________13

2.3.1.2 Rayos directos sobre lneas con hilo guarda. ____________________________________17

2.3.2 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Indirectas __________________________22

2.4 Equipos de Proteccin. _________________________________________________ 24

2.3.1 Hilo Guarda y Pararrayos.____________________________________________________25

Capitulo 3: Anlisis de la Normativa Actual_____________________31

3.1 Seccin 6 de la norma IEEE C62.22, Proteccin de Sistemas de Distribucin. ____ 35

3.2 Seccin 8 de la norma IEEE 1410, gua para el mejoramiento del comportamiento

bajo descargas tipo rayo en las lneas areas de distribucin elctrica. _____________ 67

Capitulo 4: Comportamiento de las descargas atmosfricas dentro del

rea de concesin de la CNFL ________________________________71

4.1 Densidad de Descargas Atmosfricas a Tierra.______________________________ 71


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4.2 Informes de la Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas Atmosfricas _ 73

4.3 rea Servida por la Compaa Nacional de Fuerza y Luz, S.A. ________________ 79

Capitulo 5: Pararrayos Comerciales ___________________________87

5.1 Principales Fabricantes _________________________________________________ 87

5.2 Datos principales de las hojas de fabricante.________________________________ 90

Capitulo 6: Procedimiento General y Criterios de Seleccin de

Pararrayos _______________________________________________100

6.1 Determinacin del mnimo MCOV del Pararrayos _________________________ 100

6.2 Revisin de la TOV posible en el sistema__________________________________ 100

6.3 Normal Duty vs. Heavy Duty ___________________________________________ 102

6.4 Verificacin de los Mrgenes de Proteccin _______________________________103

Capitulo 7: Conclusiones y Recomendaciones __________________110

Bibliografa ______________________________________________112

Anexos __________________________________________________114


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ndice de figuras

Figura 2. 1 Distribucin elctrica en Costa Rica por cada empresa _____________________________5

Figura 2. 2 Distribucin porcentual de clientes por empresa___________________________________6

Figura 2. 3 Distribucin Porcentual de Ventas por Empresa___________________________________7Figura 2. 4 rea Servida por CNFL. S.A, por Cantones_______________________________________8

Figura 2. 5 Fotografa de nube cmulos-nimbos ____________________________________________9

Figura 2. 6 Representacin de la separacin de cargas en lo interno de la nube. __________________10

Figura 2. 7 Representacin grfica de la produccin de una descarga atmosfrica ________________11

Figura 2. 8 Descarga directa sobre la lnea _______________________________________________12

Figura 2. 9 Representacin grfica de la estructura_________________________________________14

Figura 2. 10 Representacin de un rayo en la punta de la torre; diagrama de celosas para la tensin. 16

Figura 2. 11 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la torre de una lnea

sin hilo guarda______________________________________________________________________17

Figura 2. 12 Diagrama de celosas para la tensin Vtt en una lnea con hilo guarda _______________20

Figura 2. 13 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la estructura de una

lnea con hilo guarda ________________________________________________________________21

Figura 2. 14 Representacin Grafica de una Descarga Indirecta ______________________________22

Figura 2. 15 Consideracin de la descarga de forma vertical en el plano de coordenadas___________23

Figura 2. 16 Efecto de la cantidad de hilos guarda en la Lnea ________________________________26

Figura 2. 17 Angulo de Apantallamiento del Hilo Guarda____________________________________26

Figura 2. 18 Efecto de la resistencia de puesta a tierra sobre el desempeo del hilo guarda contradescargas directas___________________________________________________________________27

Figura 2. 19 Pararrayos tipo descargador ________________________________________________28

Figura 2. 20 Pararrayos de xidos Metlicos sin Explosores _________________________________29

Figura 2. 21 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Derivacin_____________________29

Figura 2. 22 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Serie__________________________30

Figura 3. 1 Montaje de pararrayos para CNFL, S.A.________________________________________32

Figura 3. 2 Montaje de pararrayos para el ICE ____________________________________________33

Figura 3. 3 Curva tpica de TOV para un pararrayos sin explosores MOV _______________________ 40

Figura 3. 4 Clculo del COG.__________________________________________________________41

Figura 3. 5 Ejemplo de curva TOV tpica, con energa previa absorbida del sistema _______________42

Figura 3. 6 Anexo E de la norma con banco estrella delta sin aterrizar ________________________ 49

Figura 3. 7 Anexo E de la norma, mostrando el efecto del backfeed en la conexin estrella delta sin

aterrizar___________________________________________________________________________50

Figura 3. 8 Anexo F de la norma, doble transformador ______________________________________51

Figura 3. 9 Anexo C de la norma, efecto de la distancia entre el pararrayos y el equipo ____________57

Figura 3. 10 Localizacin de los pararrayos con respecto al fusible protector ____________________ 58

Figura 3. 11 Interconexin a tierra______________________________________________________58Figura 3. 12 Efecto de una sobre tensin en la transicin del circuito areo a subterrneo __________62


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viii

Figura 3. 13 Proteccin en el lado secundario del transformador______________________________65

Figura 3. 14 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin contra descargas directas. __68

Figura 3. 15 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin contra descargas indirectas. _69

Figura 4. 1 Mapa de descargas mundial en impactos / km2 /ao _______________________________72

Figura 4. 2 Ejemplo de la disposicin de los sensores utilizados para la deteccin de las descargas___73 Figura 4. 3 Mapa de Descargas para la semana del 19 al 25 de abril del 2010 [10] _______________74

Figura 4. 4 Mapa con la distribucin espacial de las descargas [10] ___________________________76

Figura 4. 5 Mapa con Das de Tormenta para la semana del 19 al 25 de abril del 2010 [10] ________78

Figura 4. 6 rea Servida, en distritos, por la CNFL, S.A ____________________________________80

Figura 4. 7 Mapa ilustrativo con densidades de descargas para cualquiera de los aos en estudio [10] 81

Figura 4. 8 Mapa con densidad de descargas para el ao 2008 [10] ___________________________82

Figura 4. 9 Mapa con densidad de descargas para el ao 2009. [10] ___________________________ 82

Figura 4. 10 Histograma de Frecuencias para el ao 2009 [10] _______________________________83

Figura 4. 11 Histograma de Frecuencia para el ao 2008 [10]________________________________83Figura 4. 12 distribucin espacial de las descargas para la semana del 19 al 25 de abril del 2010 [10] 84

Figura 4. 13 Corrientes de descarga para pararrayos de distribucin, segn norma de la IEEE _____85

Figura 5. 1 Familia de pararrayos ABB __________________________________________________ 88

Figura 5. 2 Diferentes tipos de pararrayos Cooper _________________________________________89

Figura 5. 3 Sobretensin temporal @ 60C [11] ___________________________________________92

Figura 5. 4 Curva TOV para el PVR, PDV100 y PDV65 de Ohio-Brass [12] _____________________93

Figura 5. 5 Coordinacin de Aislamiento para pararrayos PDV100-Optima en sistema de 34.5 kV [12]95

Figura 5. 6 Calculo de mrgenes mediante hoja de Excel.____________________________________96

Figura 5. 7 Introduccin de los datos generales del sistema en la hoja de clculo _________________97

Figura 5. 8 Pararrayos recomendados por la hoja de clculo _________________________________97

Figura 5. 9 Comparacin de tensiones de descarga para las diferentes recomendaciones de la

herramienta de Excel. ________________________________________________________________98

Figura 5. 10 Comparacin de los mrgenes de proteccin para las diferentes recomendaciones de la

herramienta de Excel. ________________________________________________________________99

Figura 6. 1 Comparacin del TOV del sistema con la curva TOV del pararrayos [13]_____________101

Figura 6. 2 Curva representativa de los mrgenes de proteccin para la coordinacin de aislamiento.105

Figura 6. 3 Ejemplo de la colocacin correcta del pararrayos con respecto a los fusibles cortacircuitosrespetando las distancias. ____________________________________________________________105

Figura 6. 4 Flameos relacionados con el espaciamiento entre pararrayos de lnea _______________107

Figura 6. 5 Proteccin del lado de baja del transformador __________________________________108

Figura 6. 6 Esquema resumen para la seleccin de pararrayos en sistemas de distribucin. ________109


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ix

ndice de tablas

Tabla 3. 1 Tensiones comnmente aplicados a pararrayos del tipo MOV [6] _____________________38

Tabla 3. 2 Caractersticas de proteccin tpicas para pararrayos [6] ___________________________ 39

Tabla 3. 3 Requerimientos en las pruebas para los diferentes tipos de Pararrayos. [6] _____________44

Tabla 3. 4 Distancias mnimas recomendadas con respecto a equipo energizado. [6] ______________59

Tabla 3. 5 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin de descargas directas ________68

Tabla 3. 6 Efecto del espaciamiento entre pararrayos para proteccin contra descargas indirectas.___70

Tabla 4. 1 Rangos de Intensidades de la Corriente pico para la rejilla del mximo. (19 al 25 abril) [10]

__________________________________________________________________________________75

Tabla 4. 2 Resumen de Datos Relevantes del 19 al 25 de abril del 2010 [10] _____________________76Tabla 4. 3 Clasificacin de la severidad dependiendo del valor del GFD [10] ____________________77

Tabla 5. 1 Diferentes modelos de pararrayos de la marca Siemens _____________________________ 89

Tabla 5. 2 Datos principales del pararrayos 3EK7 [11] _____________________________________91

Tabla 5. 3 Pararrayos 3EK7 tpicos para diferentes tensiones, de acuerdo con la norma IEEE std C62.22

[11] ______________________________________________________________________________91

Tabla 5. 4 Caractersticas principales para un pararrayos 3EK7, heavy duty [11]_________________92

Tabla 5. 5 Detalle de las pruebas de corriente para el PDV100 y PDV65 [12]____________________93

Tabla 5. 6 Caractersticas principales para el pararrayos PDV100 de Ohio-Brass [12] ____________94

Tabla 6. 1 Seleccin del factor de falla a tierra segn el tipo de sistema [10] ____________________ 101

Tabla 6. 2 Mrgenes de proteccin tpicos, segn norma IEEE std C62.22______________________103


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x

Nomenclatura

BIL Nivel bsico de aislamiento al impulso.

BSL Nivel bsico de aislamiento a la conmutacin o maniobra.

CNFL, S.A, Compaa Nacional de Fuerza y Luz, Sociedad Anonima.

COG Coeficiente de aterrizamiento.

ESPH Empresa de Servicios Pblicos de Heredia

GFD Densidad de descargas atmosfricas a tierra.

ICE Instituto Costarricense de Electricidad.

IEC Comisin Electrotcnica Internacional

IEEE Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrnica.

JASEC Junta Administrativa de Servicios Elctricos de Cartago.

LPL Nivel de proteccin a descargas atmosfricas.

MCOV Mxima tensin de operacin continua.

NEMA Asociacin Nacional de Fabricantes Elctricos.

NFPA Asociacin Nacional de proteccin contra fuego.

SPL Nivel de proteccin de maniobra.

TOV Sobretensin temporal.

UL Laboratorio de suscriptores incorporados.


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Resumen

El objetivo principal del siguiente proyecto es realizar un estudio que detalle los

criterios necesarios para la seleccin y ubicacin de pararrayos en un sistema de

distribucin elctrica de media tensin, para lo cul primero fue necesario investigar

acerca de cuales son los fundamentos que rodean la aparicin de las descargas

atmosfricas, as como que tipos de descargas son las ms comunes y cuales son los

efectos principales en los sistemas de distribucin, especficamente en la vida til de los

equipos conectados y en confiabilidad del servicio brindado por la compaa de

distribucin.

Adems se procedi a investigar sobre cuales son las principales normas que

actualmente regulan las pruebas y la aplicacin de pararrayos en los sistemas de

distribucin, con lo que se hizo un anlisis de la norma C62.22 de la IEEE dedicada a la

aplicacin de los mismos.

Tambin se describen los principales componentes dentro de los informes de

descargas por parte de la Red Nacional de Deteccin y Anlisis de Descargas del ICE,

y se detalla de ellos cuales datos son los ms representativos y utilizables por parte de la

CNFL.

En el capitulo 5 se brinda una descripcin de los datos brindados por algunos

fabricantes reconocidos de pararrayos, y se comparan para un mismo tipo de pararrayosy un mismo nivel de tensin nominal, adems se describe la herramienta de Excel

utilizada actualmente en la CNFL para la seleccin de un pararrayos y para el clculo de

la distancia ideal de conexin de los mismos.

Finalmente se brinda un procedimiento general con los principales parmetros a

calcular y los factores ambientales que se deben tener en cuenta antes de seleccionar un

pararrayos ptimo.


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1

Captulo 1: Introduccin

Los rayos han sido motivo de temor y respeto durante miles de aos, mucho se

dijo a lo largo de la historia acerca de su origen, y en algunas creencias se les llego a

asociar con un carcter divino o alguna forma de castigo por la conducta humana, todo

esto hasta 1752, ao en que el cientfico estadounidense Benjamin Franklin logr

demostrar mediante un experimento que en las nubes existen cargas tanto positivas

como negativas y que los rayos no son ms que una descarga elctrica entre distintos

puntos de una misma nube, entre dos nubes distintas o bien entre la nube y algn punto

ubicado en la tierra.

Costa Rica es un pas donde las descargas atmosfricas son frecuentes, los

sistemas de distribucin de media tensin no estn exentos de verse afectados por estos

fenmenos, estos sistemas estn compuestos de varios elementos de gran valor, de ah la

importancia de colocar dispositivos que se encarguen de proteger estos componentes.

Estos dispositivos son conocidos como pararrayos y precisamente su funcin es la de

parar o capturar el rayo para conducir la energa de descarga por una trayectoria de baja

impedancia hasta tierra, donde finalmente se disipar toda esta energa.

Internacionalmente existen diferentes estndares y normas sobre los mtodos de

proteccin de estructuras, se quiere entonces en el presente proyecto investigar algunas

de ellas, as como recopilar los diferentes criterios que han sido utilizados hasta la fechapor las diferentes compaas de distribucin nacionales para as poder realizar una

evaluacin de cmo se encuentra nuestro pas en este aspecto.

Todo esto permitir crear un documento que establezca algn protocolo o gua

para la adecuada localizacin y seleccin de pararrayos en el sistema de distribucin, y

que pueda ser aplicado por las compaas distribuidoras, especficamente la Compaa

Nacional de Fuerza y Luz, S,A.


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2

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo general Realizar un estudio que detalle los criterios necesarios para la seleccin y

ubicacin de pararrayos en un sistema de distribucin elctrica de media tensin

1.1.2 Objetivos especficos Realizar una investigacin bibliogrfica, as como normas internacionales

existentes referentes a la seleccin de un determinado tipo de pararrayo y a la

ubicacin de este.

Recopilar los criterios que se han estado utilizando hasta la fecha por parte dediferentes empresas de distribucin de nuestro pas y determinar si los criterios

existentes son correctos y adecuados.

Hacer una metodologa o gua que contenga los criterios tcnicos para laubicacin de pararrayos y aplicar dicha metodologa al sistema de distribucin

de la CNFL.

Realizar una investigacin sobre el comportamiento de las descargasatmosfricas dentro del rea de concesin de la CNFL y determinar mediante el

estudio de los diferentes modelos de pararrayos en el mercado, el modelo que

mejor se adapta a las condiciones investigadas.

Investigar los diferentes modelos y marcas de pararrayos que ofrece el mercadoen la actualidad para determinar, mediante las caractersticas tcnicas y variables

elctricas de evaluacin cules de estos se ajustan ms a las condiciones

requeridas en el sistema de distribucin de la CNFL.


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3

1.2 Metodologa

El siguiente proyecto tomar como base inicial una investigacin bibliogrfica,

de todo lo referente al tema de pararrayos y su debida seleccin y ubicacin, as comode las diferentes normas internacionales disponibles con el fin de estudiarlas y observar

en que aspectos concuerdan entre s. Esta etapa de la investigacin se puede realizar

mediante artculos en Internet ya que la informacin ah disponible se espera que sea

bastante amplia, sin dejar de lado las fuentes tradicionales.

Otro aspecto importante de la investigacin ser la obtencin de informacin

mediante entrevistas o consultas a los personeros encargados del diseo de las redes de

distribucin elctrica de las diferentes compaas distribuidoras en nuestro pas,

respecto a cules son los criterios utilizados actualmente para seleccionar y ubicar los

pararrayos en la red.

Se realizar un estudio basado en los informes del ICE referentes a las descargas

atmosfricas dentro del rea de concesin de la CNFL con el fin de determinar cul es el

modelo disponible en el mercado de pararrayos que mejor se adapte a dichas

condiciones, basados en caractersticas tcnicas y variables elctricas.

Una vez recopilada y analizada dicha informacin se proceder a detallarla en

una gua o en un protocolo que resuma dichos criterios tcnicos y que pueda ser

aplicable en la Compaa Nacional de Fuerza y Luz, S.A., para futuros diseos.


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4

Capitulo 2: Desarrollo Terico

2.1 Distribucin Elctrica en Costa Rica.

Al hablar de los orgenes de la distribucin elctrica en Costa Rica es necesario

remontarse al 9 de agosto de 1884, cuando al encender 25 luminarias en la Capital, San

Jos se convirti en la primera ciudad latinoamericana, y en la tercera del mundo, en ser

iluminada mediante la energa elctrica. Est hazaa se logro gracias a la primera planta

hidroelctrica llamada Aranjuez y ubicada en el centro de la capital, posterior a est

numerosas obras fueron concretadas en todo el pas, muchas de ellas por parte de lasmunicipalidades y otras por medio de capital privado, nacional y extranjero.

El negocio de la generacin y distribucin de la energa elctrica se torno muy

atractivo, y en 1928 la empresa estadounidense The Electric Bond and Share

monopoliz el mercado principal correspondiente al centro del pas, y no fue del agrado

de muchos sectores ya que est se enfocaba en optimizar las ganancias con un mnimo

costo y como consecuencia se gener una crisis energtica importante. Posteriormente

en 1949 se da la creacin del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) que inicia un

proyecto nacional de electrificacin para suministrar energa a los centros urbanos de la

zona central, as como a las zonas urbanas del resto del pas, adems se inicio la

unificacin de toda la capacidad instalada en un solo sistema de transmisin, Sistema

Nacional Interconectado, lo que permiti impulsar la distribucin que ya para el ao

2000 corresponda a 14,531 km. de lneas instaladas.

Numerosas empresas son las que han querido incursionar en el mercado de la

distribucin elctrica a lo largo del territorio nacional, sin embargo en la actualidad las

empresas encargadas de esta labor son las siguientes: Instituto Costarricense de

Electricidad (ICE), la Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A (CNFL S.A), Empresa

de Servicios Pblicos de Heredia (ESPH), La Junta Administrativa de Servicios


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Elctricos de Cartago (JASEC), as como las cooperativas de electrificacin rural

COOPEGUANACASTE, COOPESANTOS, COOPELESCA y COOPEALFARO. La

distribucin del territorio nacional por parte de estas empresas se muestra en la siguiente

figura.

Figura 2. 1 Distribucin elctrica en Costa Rica por cada empresa

Como es evidente una gran parte de la distribucin elctrica, en cuanto a

territorio, le corresponde al ICE, en la siguiente tabla se representa a las diferentes

compaas por cantidad de clientes, y se observa como la CNFL tiene un porcentaje

importante que la ubican en el segundo puesto precisamente detrs del ICE.


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6

Distribucin porcentual de clientes por empresa (2009)

4,38%

4,95%

34,21%

43,26%

4,66%

5,58%

0,43%

2,52%

ICE

CNFL

ESPH

JASEC

C.GUANACASTE

COOPELESCA

C.SANTOS

C.ALFARO

Figura 2. 2 Distribucin porcentual de clientes por empresa

Esto debido a que el territorio que tiene en concesin corresponde a gran parte

del centro del pas que como se sabe es una zona en crecimiento y con un nmero

considerable de habitantes, lo cual se puede notar al analizar el siguiente grfico que

muestra la distribucin porcentual pero de ventas, aqu la CNFL es la que vende ms

con un 39.49% mientras que el ICE se ubica muy cercana con un 39.35%, para el caso

de las otras empresas la relacin es bastante similar a lo que resultaba para el caso de

clientes.


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7

Distribucin porcentual de ventas por empresa (2009)

4,07%

3,99%

39,49%

39,35%

5,80%

5,65%

0,26%

1,39%

ICE

CNFL

ESPH

JASEC

C.GUANACASTE

COOPELESCA

C.SANTOS

C.ALFARO

Figura 2. 3 Distribucin Porcentual de Ventas por Empresa

2.1.1 Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A.

El 27 de abril de 1941, cuando se suscribe el contrato entre el Servicio Nacional

de Electricidad, La Compaa Nacional de Electricidad, La Compaa Nacional

Hidroelctrica S.A y The Costa Rica Electric Light and Traction Company, marca el

nacimiento de la Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A. (CNFL S.A.). El 8 de abril

de ese mismo ao se logra una concesin que actualmente rige hasta el 2018. Otra fecha

a resaltar en la historia de la CNFL sera el ao 1970, cuando se suscribe un acuerdo de

cooperacin mutua con el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE).

Hasta diciembre del 2008 el rea servida por la compaa comprenda 903 km2

del rea metropolitana, sumando un total de 480.090 clientes distribuidos en un rea de

cobertura que cubre gran parte de las cuatro provincias centrales de nuestro pas

(Alajuela, Cartago, Heredia y San Jos) en un total de 25 cantones y aproximadamente


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8

106 distritos, que puede ser observada en la figura que se muestra a continuacin,

registrando un total de electrificacin del 99.79% de dicha rea.

Figura 2. 4 rea Servida por CNFL. S.A, por Cantones

Todo esto lo realiza gracias a un sistema de distribucin comprendido por 23

subestaciones, 126 alimentadores y que hasta enero del 2009 contaba con 2.974 km. en

lneas de distribucin primaria, y 2.836 km. en lneas de distribucin secundaria.

2.2 Descargas Atmosfricas.

En electricidad se entiende por descarga al paso de una corriente elctrica entre

dos puntos, producido por una diferencia de potencial entre estos, para que esto sea

posible debe existir un medio o un canal, ya sea slido, lquido o gaseoso. El objetivo de

la descarga consiste en precisamente equilibrar dicha diferencia de potencial. En la

naturaleza se da un equivalente y este corresponde a las descargas atmosfricas, donde

se da un campo elctrico entre dos puntos de una misma nube, entre dos nubes


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9

diferentes o bien los que nos preocupan entre una nube y tierra. Estos ltimos se pueden

dar en varios tipos, ya sea de nube a tierra o de tierra a nube, siendo los primeros los

ms comunes.

Esta claro que no todas las nubes ocasionan rayera, esto debido a que en un

cielo sin tormenta las cargas estn uniformemente distribuidas y por lo tanto la carga es

neutra, sin embargo durante una tormenta elctrica las cargas dentro de las nubes se

podra decir que de alguna manera se separan, y si se quisiera modelar una tormenta

elctrica con el fin de entender el comportamiento de esta, se recurre al modelo ms

utilizado correspondiente a una distribucin bipolar en la nube con un puado de cargas

positivas en el tope y otro de cargas negativas en la base.

Figura 2. 5 Fotografa de nube cmulos-nimbos

Existen varias teoras que involucran el papel del campo elctrico terrestre en la

generacin de las cargas, sin embargo aqu se detalla la relacionada con la precipitacin

y la conveccin de partculas dentro de la nube. Bsicamente por una alta actividad de

conveccin con fuertes corrientes ascendentes y descendentes en la atmsfera que

involucra la transferencia de calor, se van formando nubes con gran desarrollo vertical,

conocidas como cmulos-nimbos, que provocan gotas de gran tamao que no pueden


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10

ser mantenidas por las corrientes ascendentes, sino que por gravedad descienden e

interaccionan con las partculas de menor tamao que vienen en ascenso. De esta

interaccin se produce la separacin de cargas, donde las partculas de mayor tamao se

cargan negativamente y continan el descenso, y las de menor tamao se cargan

positivamente y se dirigen hacia arriba. Todo esto se puede observar mejor en la

siguiente figura.

Figura 2. 6 Representacin de la separacin de cargas en lo interno de la nube.

Una vez que la carga negativa en la parte inferior de la nube es lo

suficientemente fuerte como para vencer la resistencia del aire, se dar un flujo de

cargas negativas de nube a tierra y de cargas positivas de tierra hacia las nubes, por lo

general a travs de un rbol, edificio, poste o algn punto que este elevado.

Este fenmeno es el que se conoce con el nombre de rayo o relmpago y es

visible al ojo humano, lo que no es posible para este es diferenciar entre las mltiples

descargas que se dan lugar, ya que por lo general constan de tres o cuatro en intervalos

de centenas de milisegundos.


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11

Figura 2. 7 Representacin grfica de la produccin de una descarga atmosfrica

Un parmetro a tomar en cuenta referente a las descargas atmosfricas, es la

Densidad de Descargas Atmosfricas (GFD o Ng), que se define como el numero de

descargas por unidad de rea y por ao para una determinada regin geogrfica, este

dato normalmente se toma como un promedio a largo plazo y debera tomar en cuenta

las diferentes variaciones, ms que todo climticas, que se presentan en un ao y que

pueden influir en el valor del GFD. Este parmetro es importante en el diseo de las

instalaciones, ya que proporciona informacin til acerca del comportamiento histrico

de las descargas atmosfricas en una regin, y como es de suponer el rendimiento, as

como los posibles daos de las lneas y consecuentes interrupciones del servicio

elctrico estn ntimamente relacionados con la presencia de rayos en las instalaciones,

o cercanos a estas.

Ms adelante en el desarrollo de este proyecto se detallar ms este tema, con el

fin de analizar la zona de concesin de la CNFL. Se debe aclarar antes, que un valor

bajo de GFD para una regin determinada no es garanta de una ausencia de problemas

relacionados con descargas, por lo que se debe buscar siempre un aterrizamiento

adecuado de las lneas de distribucin, as con la seleccin apropiada de los pararrayos

de esta.


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12

2.3 Efectos Principales de las Descargas Atmosfricas.

El principal efecto de una descarga atmosfrica en las lneas de distribucin, sin

pararrayos, se puede considerar que es la sobretensin producida en los elementos que

la componen, que son elementos de alto valor econmico y que por lo tanto se quieren

proteger, as como evitar los cortes en el servicio, uno de estos elementos son los

aisladores que se ven sometidos a sobretensiones debidas a descargas atmosfricas de

diferentes tipos, para analizar estos efectos mejor, se puede realizar una divisin entre

descargas atmosfricas directas e indirectas.

2.3.1 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Directas

Una descarga atmosfrica se define como directa en la medida que esta impacte

el poste, el hilo guarda o bien el conductor de fase.

Figura 2. 8 Descarga directa sobre la lnea

Un parmetro importante a tomar en cuenta y que se relaciona con el

desempeo, y con la proteccin de los sistemas ya sean de distribucin o de transmisin

es la capacidad de aislamiento, que dicho sea de paso existen diferentes formas de

definirlo, para el caso en inters se utilizar el Nivel Bsico de Aislamiento al Impulso

(BIL), que se define como la capacidad que tienen los elementos de un sistema para


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soportas sobretensiones debidas a descargas atmosfricas o bien operaciones de

conexin y desconexin.

El anlisis de las descargas directas se puede dividir en dos clases, lneas con

hilo guarda, y lneas sin hilo guarda.

2.3.1.1 Rayos directos sobre lneas sin hilo guarda

Si un rayo alcanza de manera directa un conductor de fase, la corriente se divide

en dos mitades iguales, cada una de estas viajando a travs del conductor en ambas

direcciones de la lnea. Las ondas de corriente a su vez producen ondas de tensin

definidas por la siguiente ecuacin:

20 IZV

= (2.1)

Donde I es la corriente del rayo y Z0 es la impedancia propia de la lnea, dada

por ( ) 2/10 /CLZ = , y L y C son la inductancia y capacitancia a tierra por cada metro de

longitud de lnea. Estas ondas viajeras de tensin, por decirlo de alguna forma estresan

al aislador del cual esta suspendido el conductor conforme va llegando al poste, y estos

aisladores se vuelven vulnerables a estas ondas. Si el valor pico de la tensin brindado

por las corriente del rayo, logra hacer que el aislador empiece a conducir a esta corriente

se le llama corriente critica IC de la lnea para un BIL especifico.

02ZBILIC

= (2.2)

Las descargas atmosfricas pueden alcanzar tambin a uno de los postes, en

cuyo caso la corriente fluye a travs de la estructura y sobre la resistencia de la base

(Rtf) que la disipar a tierra. Estimar en estos casos la tensin en el aislador no es tan

sencillo, debido a que no existe un modelo universal, el modelo ms sencillo es en el

que se desprecia el poste, y entonces la tensin de este, incluyendo la del crucero donde


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14

estn colocados los aisladores, corresponde a la que se da a travs de la resistencia de la

base del poste, V=IRtf, despreciando tambin la tensin en el conductor de fase esta

corresponde a la tensin a travs del aislador. El hecho de despreciar el efecto del poste

es aceptable para postes pequeos, sin embargo un modelo que contemple una torre, con

una altura superior, deber representarla como una lnea de transmisin vertical, por as

decirlo, con una impedancia Zt donde las ondas de corriente y de tensin la atraviesan a

una velocidad vt. La torre estar delimitada en su parte inferior por la resistencia de la

base de la torre, y en su parte superior por una impedancia Z ch que representar el canal

o el medio por el cual fluye el rayo. El aislador entonces tendr en una de sus terminales

una tensin Vca (a tierra) y en su otra terminal la tensin de fase a tierra que pasa por el

conductor. Despreciando esta ltima, la tensin en el aislador Vais ser igual a del

crucero Vca.

Figura 2. 9 Representacin grfica de la estructura


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15

Una tensin inicial baja por la estructura, Vto, que es igual a( )tIZV tto = ,

donde I(t) es la corriente inicial como funcin del tiempo t. Los coeficientes de

reflexin para la tensin en los dos puntos al final de la torre son:

ttf

ttfr ZR

ZRa

+

=1

(2.3)

tch

tchr ZZ

ZZa

+

=2

(2.4)

En la figura 2.10, tomada del libro The Electric Power Engineering de Grigsby

se muestra el progreso, a lo largo de la torre, de las mltiples ondas de tensin

reflejadas. En este diagrama se detalla la posicin y la direccin del movimiento de las

ondas para cada incidente, reflejado, para cada instante de tiempo. Obsrvese como, si

la altura de la torre y la altura del crucero son h t y hca, respectivamente, y la velocidad

con que la onda se desplaza a lo largo de la torre, como ya lo habamos mencionado, es

vt, entonces el tiempo que le toma viajar a la onda desde la parte ms alta de la torre,

hasta su base es de ttt vh /= , y el tiempo de viaje entre el crucero y la base de la torre

es tcaca vh /= .


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16

Figura 2. 10 Representacin de un rayo en la punta de la torre; diagrama de celosas para latensin.

En cuanto a la figura, las dos lneas de los bordes representan las posiciones de

la punta de la torre, y la base de la misma, respectivamente, mientras que la lnea

punteada indica la posicin del crucero. Le toma a la onda ( cat ) segundos alcanzar

el crucero una vez que el rayo alcanz la parte ms alta de la torre en t=0, este momento

se representa mediante el punto 1, de manera similar, la primera onda reflejada desde la

base de la torre (punto 2) alcanza el crucero en el tiempo catt += . La primera onda

reflejada desde la parte superior de la torre (punto 3) alcanza el crucero en el tiempo

catt = 3 , de esta forma se puede establecer que las ondas que descienden por la

torre alcanzarn el crucero en ( ) catnt = 12 , mientras que las que ascienden por la

torre lo harn en ( ) catnt += 12 , donde n=1,2,3.n. As entonces la tensin en el

aislador Vca, esta dado por:


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17

( ) ( ) ( )( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( )( )catcatto

nn

nrrr

catcatto

nn

nrrca

ntuntVaaa

ntuntVaatV

+++=

=

=

1212

1212

1

1211

1

121

(2.5)

A continuacin en la figura 2.11 se muestra la tensin en el aislador como

consecuencia de un rayo en el poste para una lnea sin hilo guarda. La altura del poste es

de 30m; la altura del crucero es de 27m; altura del conductor de fase 25m; ancho del

crucero 2m; corriente de la descarga atmosfrica 30kA, 1/50s; Zt = 100; Zch=500.

Figura 2. 11 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la torre de unalnea sin hilo guarda

Ntese como para los dos valores de las resistencias de la base del poste (R tf) la

cada de tensin pico en el aislador Vca aumenta con la resistencia, adems se observa

que con el tiempo tiende a igualar a la cada de tensin que se presenta en el camino a

tierra IRtfpero en el pico, es significativamente superior.

2.3.1.2 Rayos directos sobre lneas con hilo guarda.Generalmente estos cables de apantallamiento contra descargas atmosfricas

estn conectados a las torres o a los postes, por lo que ofrecen un camino seguro a tierra


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mediante el camino de baja impedancia colocado en la base del poste, que anteriormente

llamamos Rtf. Algunas veces estos hilos guardas son aislados del poste mediante

aisladores pequeos para prevenir corrientes circulantes. Cuando un rayo impacta un

hilo guarda, este aislador empieza a conducir, conectando a este con la estructura

aterrizada.

Para una lnea con apantallamiento, un rayo puede alcanzar al conductor de fase,

al hilo guarda o bien a la estructura. Si este impacta al conductor de fase pero la

magnitud de la corriente es inferior al nivel de corriente crtica, no ocurre corte. Por otro

lado, si la magnitud de la corriente supera la corriente crtica, entonces el corte de

energa se producir y a esto se le llama una falla de apantallamiento. En todo caso la

corriente critica para lneas con hilo guarda resulta superior a una sin apantallamiento,

esto porque la presencia del hilo guarda aterrizado reduce la impedancia propia de la

lnea. La impedancia caracterstica efectiva de una lnea con un solo hilo guarda esta

dada por la siguiente ecuacin:

22

212

11 Z

ZZZeq = (2.6)

Donde:

=

p

p

r

hZ

2ln6011 (2.7)

=

s

s

r

hZ

2ln6022 (2.8)

=

ps

sp

d

dZ '12

2ln60 (2.9)

Aqu hp y rp son la altura y el radio del conductor de fase, h s y rs son la altura y

radio del conductor hilo guarda, dps corresponde a la distancia entre el hilo guarda y la


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19

imagen del conductor de fase en tierra y dps es la distancia entre el conductor de fase y

el hilo guarda. Z11 es la impedancia del conductor de fase en ausencia del hilo guarda,

Z22 la impedancia del hilo guarda, y Z12 la impedancia mutua entre ambos conductores.

Para un rayo en el poste, la corriente ser dividida en tres partes: dos partes que

fluirn a travs del hilo guarda para cada una de las direcciones desde el poste, y una

parte que pasar a travs del mismo. As entonces, una cada de tensin menor se

producir en el poste respecto al caso anterior sin hilo guarda, debido a que la corriente

que recorre el poste es inferior. Esta es otra de las ventajas del apantallamiento en las

lneas areas.

El clculo de la tensin del aislador se realiza de manera similar a como se

procedi en el caso anterior, con algunas modificaciones en algunas de las ecuaciones.

Primero, la tensin inicial es igual a IZeq en vez del IZt de las lneas sin hilo

guarda, donde Zeq es la impedancia vista desde el punto de contacto del rayo. Esto se

puede ver como tres impedancias en paralelo y se define a continuacin.

ts

tseq ZZ

ZZZ

+

=

5.0

5.0(2.10)

Donde Zs=60ln(2hs/rs) y corresponde a la impedancia del hilo guarda. Segundo,

la onda de tensin ascendente por la torre despus de ser reflejada por la base de la

misma, encontrar tambin tres ramas en paralelo de impedancias, la impedancia del

canal de la descarga Zch, y las dos impedancias de las dos mitades de los hilos guardas.

Siendo remplazada Zch de la ecuacin para lneas sin hilo guarda por:

chs

chsch ZZ

ZZZ

+

=

5.0

5.0(2.11)

La tensin en el aislador no es igual a Vca como en el caso anterior. La tensin

en el hilo guarda, que es el mismo que el de la punta de la torre, V tt, induce una tensin


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en el conductor de fase. El potencial en el aislador es entonces, la diferencia entre Vca y

esta tensin:

ttspcaais VkVV = (2.12)

Donde kps = Z12/Z22. Se puede decir que este efecto electromagntico reduce la tensin

en el aislador. Lo cual representa otra ventaja del hilo guarda. Para el clculo de Vtt

hacemos uso nuevamente de una figura similar a la que se uso en el caso opuesto.

Obsrvese en la figura que conforme trasladamos hacia arriba el crucero, ca se acerca

tambin a t , y como es obvio, en el topo de la torre tca = . Precisamente en este

punto podemos hacer uso del anlisis anterior para encontrar la expresin que define la

tensin en la punta de la torre, Vtt.

Figura 2. 12 Diagrama de celosas para la tensin Vtt en una lnea con hilo guarda

Obsrvese como excepto la onda 1, los pares ascendente y descendente, (por

ejemplo 2 y 3, 4y 5, etc.) llegan al tope de la torre en el mismo tiempo. Entonces,

haciendo tca = en las ecuaciones del clculo de Vca para lneas sin apantallamiento, y

re-escribiendo at2 como 1+ ar2 se obtiene.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )ttto

nn

n rrrttott ntuntVaaaatuVtV +=

= 22

1

1 2112 (2.13)


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21

tch

chrt ZZ

Zaa

+

=+=

21 22 (2.14)

Donde at2 se conoce como coeficiente de tensin de transmisin. En cuanto a la

tensin del aislador en este caso es similar al caso anterior, sin hilo guarda, sin embargo

en la siguiente figura se puede apreciar como esta se ve significativamente reducida con

respecto al ejemplo presentado anteriormente.

Figura 2. 13 Tensin en el aislador como consecuencia de una descarga directa en la estructura deuna lnea con hilo guarda

Esto es posible debido a que la corriente del rayo es dividida en el hilo guarda,

reduciendo la tensin inicial Vto=ItZt, donde ahora It


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2.3.2 Sobretensin Debida a Descargas Atmosfricas Indirectas

Como se seal en la seccin anterior una descarga directa corresponde a

aquellas que caen sobre alguno de los conductores de fase, el poste o la torre, o bien

sobre el hilo guarda, y se indic adems el efecto que estas ocasionan. Como es de

esperar existen tambin descargas atmosfricas que no golpean directamente el sistema,

que sin embargo pueden llegar a afectar si estn impactan el terreno en las cercanas de

la lnea de distribucin.

Figura 2. 14 Representacin Grafica de una Descarga Indirecta

El efecto principal corresponde a la induccin de tensiones en la lnea como

consecuencia de estas descargas cercanas. Como es de esperarse el clculo de estas

tensiones inducidas requiere de gran manipulacin matemtica, correspondientes a

diferentes mtodos y diferentes aproximaciones a la realidad, como ejemplo de algunas

de ellas el que la distribucin de la carga en el rayo es uniforme, que la corriente del

mismo es rectangular, y que este cae de manera vertical y a su vez que la tierra es

conductora perfecta.


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23

Figura 2. 15 Consideracin de la descarga de forma vertical en el plano de coordenadas

El desarrollo de estos clculos, si bien es interesante, no corresponde a los

objetivos directos del proyecto, por lo que simplemente se mencionaran los

componentes sustanciales de esta induccin de tensin.

La induccin de tensin en las lneas como consecuencia de Descargas

Indirectas, tienen cuatro componentes principales:

1. Como ya se sabe si un elemento conductor cargado con cargas de un signoespecfico, se acerca a un segundo elemento, las cargas del primero atraern a

las del segundo con signo contrario. De tal modo que si el primer elemento es

una nube cargada positivamente, y esta se acerca despacio a una lnea de

distribucin, en esta ltima se inducirn cargas negativas, hasta este momento y

debido a que el acercamiento se da lentamente no habr ninguna sobretensin en

la lnea, ya que estas se descargan a tierra por medio de la debida conexin a

tierra de los transformadores y dems elementos del sistema, sin embargo en el

momento en esta nube se descargue de forma parcial o total repentinamente, por

medio de un rayo por ejemplo, las cargas en la lnea quedan libres tambin de

manera repentina, generando sobretensiones proporcionales a estas cargas, y por


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ende ondas viajeras de tensin y corriente que se desplazan en ambas

direcciones de la lnea.

2. Como se seal antes, antes de que una descarga atmosfrica se produzca, se danvarias interacciones en la nube, entre nubes o bien entre la nube y tierra. Una de

esas interacciones corresponde precisamente a pequeas descargas o bien la

formacin de un camino ionizado que da inicio en las cargas negativas en la

nube y que tienen como objetivo descender hasta tierra, estos canales ionizados

de descarga se conocen en ingls como leaders, y a los leaders cargados

negativamente se los conoce como stepped leaders. Ahora bien, estos en su

descenso a tierra van formando ramificaciones en el camino, son casi

imperceptibles en comparacin con el relmpago posterior, sin embargo en su

camino van induciendo cargas en la lnea cercana, una vez que estos se ven

neutralizados mediante la descarga o rayo, que ya estos s son perceptibles en

sonido y luminosidad, las cargas inducidas en la lnea se ven liberadas y el

efecto es similar al descrito con la nube en el componente 1.

3. Las cargas residuales en el rayo inducen un campo electrosttico en laproximidad de la lnea, y por lo tanto una tensin inducida en ella.

4. La tasa de cambio en la corriente de la descarga atmosfrica produce una tensininducida en las lneas cercanas.

Cabe sealar que se considera que los efectos de los componentes 1 y 2 son poco

significativos en comparacin con los componentes 3 y 4.

2.4 Equipos de Proteccin.

Para nadie es un secreto que una lnea de distribucin esta expuesta a varios

tipos de perturbaciones para las cuales se vuelven necesarios diferentes elementos que

protejan, tanto a las personas que interaccionan con ellas, as como los equipos que las


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componen. No se puede dejar por fuera en este aspecto la puesta a tierra, que justamente

tiene como objetivo principal que durante condiciones de falla presente un camino,

conexin o conexiones de baja impedancia a tierra, protegiendo as, a las personas y al

equipo conectado, de todas aquellas corrientes de falla o las ocasionadas por fenmenos

transitorios, por ejemplo las descargas atmosfricas.

Se hablar ahora de los elementos protectores en la lnea que de una u otra forma

garantizan la seguridad del sistema y ayudan a mantener la lnea en su funcionamiento

normal. Antes de esto, es importante mencionar, que existen dos tipos de falla

principales de disturbios o perturbaciones en un sistema de distribucin de media

tensin, los que estn relacionados con corrientes de corto, durante fallas simtricas o

asimtricas, y aquellas ocasionadas por descargas atmosfricas donde los principales

elementos de proteccin son el hilo guarda y el pararrayos, ser sobre estos ltimos que

se centrar el siguiente proyecto, y en la siguiente seccin se explica brevemente el

funcionamiento bsico y utilizacin de estos dos dispositivos.

2.3.1 Hilo Guarda y Pararrayos.

Hilo guarda: Corresponde a un hilo que se coloca sobre las fases que de una u otra

manera realice un apantallamiento frente a las descargas atmosfricas, adems este

deber estar aterrizado en cada poste. El objetivo principal del hilo guarda es proteger a

la lnea contra rayos evitando que estos lleguen siquiera a la lnea, para determinar la

mejor ubicacin de estos existen variedad de criterios, uno de los ms populares es el

brindado por Schwaiger que asegura que el apantallamiento brindado por uno o varios

hilos guarda esta determinado por un arco de radio igual a la altura del hilo sobre el

suelo.


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Figura 2. 16 Efecto de la cantidad de hilos guarda en la Lnea

Otro criterio corresponde al ngulo de proteccin que se forma entre el hilo

guarda y los conductores, el cual sugiere un ngulo menor de 40 o 30 entre ambos.

Este criterio tiene como ventaja que requiere alturas menores que las requeridas bajo el

criterio de los radios del arco.

Figura 2. 17 Angulo de Apantallamiento del Hilo Guarda

Es importante recalcar la importancia del aterrizamiento para el funcionamiento

efectivo de este, en la figura siguiente se muestra un ejemplo del efecto de la puesta a

tierra en el desempeo del hilo guarda contra descargas directas, esto para dos tensiones

crticas de flameo (VFIC), donde se puede notar como para una tensin crtica de 350

kV con una resistencia de 25 , se obtienen efectos similares a los obtenidos con un

VFIC de 175 kV con 10 donde aproximadamente un 20% de las descargas directas

ocasionaran flameos.


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27

Figura 2. 18 Efecto de la resistencia de puesta a tierra sobre el desempeo del hilo guarda contradescargas directas

Pararrayos: Para empezar es bueno mencionar que el funcionamiento bsico de un

pararrayos se puede describir mediante las dos funciones siguientes:

Hacer nada, en el caso de niveles de tensin normales (Conducir corrientespequeas o del todo ninguna corriente.)

Capturar el rayo, y conducir la corriente de descarga o bien durante unacondicin de sobretensin. Sin que se produzca una falla en el sistema.

As entonces, el pararrayos debe contar con una resistencia extremadamente alta

durante condiciones de operacin normales, y una resistencia relativamente baja durante

condiciones de sobretensin en la lnea. Esto es, una relacin no lineal de tensin vs

corriente, o dicho de otra manera una resistencia no lineal.

A inicios de 1930 se utiliz el Carburo de Silicio (SiC) en los pararrayos como

elemento resistivo no lineal, sin embargo este conduca corrientes considerables en

estado estacionario por lo que se tuvo que hacer uso de explosores para contrarrestar

esto.


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Sin embargo algunas limitaciones aparecieron relacionadas con la conmutacin

de proteccin contra sobretensiones, capacidad de descarga de la energa y la capacidad

de liberacin de presin.

Debido a sus caractersticas de descarga vs frecuencia, se dio la necesidad de

buscar su optimizacin, sin embargo perdieron su efectividad, por lo que a principios de

los aos 70 los pararrayos de xidos metlicos fueron desarrollados de manera

comercial. Estos tienen como caracterstica que son mucho ms no-lineales que los de

carburo de silicio conduciendo apenas corrientes en el orden de los mA en condiciones

normales de tensin. Otra caracterstica es que estos estn en capacidad de descargar

mucha ms energa por unidad de volumen que el de SiC, as como la mejora en el

rango de ondas de sobretensin e incluso una disminucin en el peso de estos gracias a

la eliminacin de los explosores, hacindolos ms manejables.

Figura 2. 19 Pararrayos tipo descargador

En sistemas de distribucin comnmente estos son conectados junto con otros

elementos cuya funcin ser la de desconectarlo de tierra en caso de que no este

funcionando como se debe y conduzca bajo situaciones normales. El pararrayos sera

conectado al sistema hasta que alguien de mantenimiento se encargue. Durante este


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periodo ningn cliente habra perdido el servicio pero obviamente el sistema tambin se

encuentra sin proteccin durante este periodo.

Dentro de los pararrayos de xidos Metlicos cabe mencionar que existen

diferentes tipos, sin explosores, con explosores en derivacin o bien con explosores en

serie, donde la diferencia bsica entre ellos esta en los niveles de tensin de descarga a

travs del pararrayos, ya que para estos dos ltimos, con corrientes por encima de cierta

magnitud, la tensin de descarga se ve reducida mediante los explosores en derivacin,

o bien los explosores en serie.

Figura 2. 20 Pararrayos de xidos Metlicos sin Explosores

Figura 2. 21 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Derivacin


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Figura 2. 22 Pararrayos de xidos Metlicos con Explosores en Serie

Tres parmetros importantes en los descargadores de este tipo son la Tensin

Nominal, la Mxima Tensin de Operacin Continua y la Tensin de Descarga o

Tensin Residual.

Tensin Nominal del Pararrayos: Duty Cycle Voltage (IEEE); Ur (IEC),

corresponde a la mxima tensin permisible entre las terminales del pararrayos, para la

cual el dispositivo fue diseado a operar correctamente bajo sobre tensiones temporales

en las pruebas de servicio (duty test).

Mxima Tensin de Operacin Continua o Permanente: MCOV (IEEE); Uc

(IEC), mximo valor eficaz de tensin que se le puede aplicar a las terminales del

pararrayos de manera continua, suele acercarse al 80% de la tensin nominal.

Tensin de Descarga: tambin denominada como tensin residual por la IEC,

corresponde a la tensin entre las terminales del pararrayos, debida al paso de unacorriente de descarga.

Cabe mencionar que existen gran variedad de tipos de pararrayos de xidos

Metlicos en el mercado, sobre los cuales se detallar ms adelante, as como de los

parmetros que los definen y la normativa que los rige.


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Capitulo 3: Anlisis de la Normativa Actual

Una vez que se tiene claro cual es la funcin del pararrayos en la lnea, as como

su funcionamiento bsico, se debe considerar cual vendra a ser su ubicacin dentro de

la lnea y cual es el modelo, dentro de la amplia variedad ofrecida en el mercado, que

mejor sea adapta a las condiciones presentes en el rea servida por la compaa

distribuidora, en este caso la CNFL.

En la actualidad las empresas dedicadas a la distribucin elctrica en nuestro

pas cuentan con manuales de montaje de los diferentes equipos de proteccin para las

lneas, dentro de los cuales se encuentran incluidos los pararrayos, por ejemplo en el

caso de la CNFL que se colocan siempre que hay un elemento o equipo a proteger, por

ejemplo un re-closer, un transformador, entre otros equipos y esto generalmente por su

alto valor econmico, as como al final de la lnea, donde aparecen corrientes reflejadas

de las cuales la lnea debe ser protegida. Adems se tiene que aproximadamente cada

siete vanos, se coloca un pararrayos en la lnea, tomando en cuenta que entre cada poste

hay cerca de 60 metros se estara colocando un pararrayos cada 420 metros

aproximadamente.


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32

Figura 3. 1 Montaje de pararrayos para CNFL, S.A.


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Figura 3. 2 Montaje de pararrayos para el ICE

En las figuras 3.1 y 3.2 se muestran de ejemplo el montaje de pararrayos para

lneas trifsicas por parte de CNFL y el ICE. Sin embargo no existe un manual que

especifique donde se deben colocar en la lnea cada uno, ni que criterios aplicar para su

seleccin.

Existen a nivel mundial diferentes organizaciones encargadas de la elaboracin

de normas relacionadas con el diseo, as como con la aplicacin de los pararrayos,


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34

como por ejemplo el Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), National

Fire Protection Association (NFPA), The National Electrical Manufacturers Association

(NEMA), Underwriters Laboratories Inc (UL), International Electrotechnical

Commission (IEC) y Lightning Protection Institute (LPI) por mencionar algunos. Cada

una cuenta con diferentes normas, donde algunas son bsicamente de diseo y pruebas

mientras que otras incluyen adems normas de seleccin, aplicacin o buenas prcticas

en lo que respecta protecciones contra descargas atmosfricas.

A continuacin se muestran algunas de estas normas, donde destacan las

relacionadas con la seleccin y aplicacin, ya que son los objetivos del proyecto, y

especialmente las relacionadas con pararrayos de xidos metlicos, adems se prestara

principal atencin a las normas de la IEEE, puesto que a estas son a las que se tuvo

acceso en la realizacin del proyecto y son las siguientes.

IEC 60099-4 Metal-Oxide Surge Arresters Without Gaps for A.C Systems IEEE C62.1 Standard for Gapped Silicon Carbide Surge Arresters for AC

Power Circuits IEEE C62.2 Guide for the application of Gapped Silicon Carbide Surge

Arresters for AC Power Circuits IEEE C62.11 Standard for Metal Oxide Surge Arresters for AC Power

Circuits IEEE C62.22 Guide for the Application of Metal Oxide Surge Arresters for

AC Systems* IEEE 1410-1997 Guide for Improving the Lightning Performance of Electric

Power Overhead Distribution Lines* NFPA 780 Installation of Lightning Protection Systems UL 96 Lightning Protection Components UL 96A Installation Requirements for Lightning Protection Systems

De dichas normas se analizarn a continuacin principalmente la seccin 6 de la

IEEE C62.22 correspondiente a Proteccin de Sistemas de Distribucin, ya que es

una gua de aplicacin ms que de diseo y se tomara en cuenta tambin la IEEE 1410-

1997 que es una Gua Para Mejorar El Comportamiento Bajo Descargas Tipo Rayo De


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Las Lneas Areas De Distribucin Elctrica. Esto sin dejar de lado la Norma 60099-4

de la IEC.

3.1 Seccin 6 de la norma IEEE C62.22, Proteccin de Sistemas de

Distribucin.

Antes de iniciar con el anlisis de esta seccin de la norma se deben definir

algunos conceptos que sern utilizados con frecuencia en el capitulo, el primero de ellos

corresponde a la mxima tensin de operacin que puede ser aplicada de manera

continua o permanente entre las terminales del pararrayos, esta se trata en la norma de la

IEEE como MCOV por sus siglas en ingls, la IEC por su parte se refiere a esta misma

como Uc, otro termino importante dentro del siguiente captulo corresponde a la tensin

nominal permisible entre las terminales del pararrayos y para las cuales fue diseado, en

la norma se hace referencia a este como duty cycle voltage, y es equivalente al Ur en la

norma de la IEC, por ltimo se tiene la sobretensin temporal o TOV y representa la

tensin por encima del MCOV a la cul el pararrayos puede operar para una

determinada duracin de tiempo, ms adelante se definir mejor cuales son sus

limitaciones y como debe ser comparada con el TOV presente en el sistema.

Se tiene entonces que, en la seccin 6.1 Introduction, como su nombre lo

indica se da una pequea introduccin de lo que son los rayos como los principios

bsicos utilizados para la proteccin de lneas de transmisin aplican tambin para la

distribucin haciendo diferencia en que por lo general las lneas de distribucin no

cuentan con hilo guarda por lo que hay que tomar en cuenta algunas consideraciones.

Tambin se presenta un procedimiento para la estimacin del margen de proteccin,

esto basados en la Densidad de Descargas Atmosfricas GFD y en el valor de corriente

de cresta para condiciones normales. Adems hace referencia a como el costo del

equipo de proteccin de una lneas de distribucin es significativamente inferior


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comparado con la proteccin de una subestacin pero si se toma en cuenta que en

cantidades el equipo a utilizar es bastante, resulta una cantidad a considerar y como

resulta ms factible seleccionar pararrayos que puedan ser utilizados en situaciones

similares, ms all de realizar estudios para situaciones independientes.

En la seccin 6.2 General Procedure se establece el procedimiento general a

seguir y las consideraciones a tomar en cuenta en la seleccin de pararrayos para lneas

de distribucin. Bsicamente dice que el procedimiento general consiste en determinar

primero cual es el MCOV de un pararrayos apropiado de tal forma que pueda ser

utilizado en todos los lugares similares del sistema de distribucin a protegerse.

Adems, la capacidad de TOV del pararrayos no debe ser superado en magnitud ni

duracin (en el total de ciclos acumulados) por cualquier otro TOV del sistema donde el

pararrayos vaya a ser colocado. En pararrayos para sistemas de distribucin, el TOV

generalmente se basa en la mxima tensin fase a tierra que puede ocurrir en las fases

no falladas durante una falla monofsica a tierra.

Otro punto que se menciona en el procedimiento general es la coordinacin de

aislamiento que se discute posteriormente en el punto 6.5 de la norma y que dice de

manera general que para tensiones hasta 15 kV, la coordinacin del aislamiento de los

equipos conectados no ha sido rigurosamente estudiada porque el margen de proteccin

(MP) entre el BIL estndar de los equipos y las caractersticas de proteccin de

pararrayos de distribucin modernos es sustancialmente superior al 20%. La

coordinacin del aislamiento se convierte en una consideracin primordial en sistemas

de distribucin con tensiones superiores, porque se reduce el MP (particularmente

cuando se utilizan valores reducidos de BIL). Adems la coordinacin del aislamiento

tambin puede ser importante para la proteccin de la lnea y para la proteccin de los


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sistemas de distribucin subterrnea, estos se detallarn mejor ms adelante en el

presente captulo.

Un punto importante dentro de esta seccin corresponde al 6.2.1 Installation

practices that jeopardize insulation coordination que menciona aquellas prcticas de

instalacin que ponen en peligro la coordinacin de aislamiento.

o Distancias largas entre la lnea y la terminal de lnea del pararrayos y entre laterminal de tierra del pararrayos y la carcaza del equipo. (ver 6.7.1)

o Largas distancias de separacin entre el pararrayos y el equipo de proteccin(ver 6.7.2)

o Fallas de interconexin entre los pararrayos y las terminales de tierra de losequipos. (vase 6.7.4)

En el punto 6.2.2 se mencionan todas aquellas aplicaciones que requieren

consideraciones especiales, ya sea con respecto a desempeo de los pararrayos o con

respecto a requisitos de proteccin, de estas se hablara ms adelante en el presente

capitulo.

o Los sistemas sin aterrizar.o Los bancos de condensadores.o Los interruptores, reclosers, etc.o Los reguladores de tensin.o Los circuitos subterrneos.o Atmsferas contaminadas.

En la seccin 6.3 Selection of arrester ratings se inicia con la seleccin del

ndice del pararrayos a utilizar. En primer lugar se menciona que los sistemas protegidos

por pararrayos de distribucin generalmente son:


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En estrella o delta de tres hilos, alta o baja impedancia conectados a tierra en lafuente.

Cuatro hilos multi-aterrizados en estrella.

La correcta aplicacin de pararrayos de xido metlico en sistemas de

distribucin requiere el conocimiento de dos cosas:

La tensin mxima de operacin normal del sistema. La magnitud y la duracin de los TOVs en condiciones de funcionamiento

anormales.

Esta informacin es comparada con los ndices de MCOV y la capacidad de

TOV del pararrayos. Se debe tener cuidado de no sustituir pararrayos de silicio de

carburo con descargadores de xido metlico que tienen el mismo ciclo de servicio a

tensin nominal sin primero analizar la magnitud esperada y la duracin de TOVs.

Tabla 3. 1 Tensiones comnmente aplicados a pararrayos del tipo MOV [6]

Cuatro Hilos Tres hilos Tres hilosMultiaterrizado, Estrella ja Impedancia a Tie Alta Impedancia a Tierra

2400 2540 3 (2,55)

4160Y/2400 4400Y/2540 3 (2,55) 6 (5,1) 6 (5,1)

4260 4400 6 (5,1)

4800 5080 6 (5,1)

6900 7260 9 (7,65)

8320Y/4800 8800Y/5080 6 (5,1) 9 (7,65)

12000Y/6390 12700Y/7330 9 (7,65) 12 (10,2)

12470Y/7200 13200Y/7620 9 (7,65) 10 (8,4) 15 (12,7)

13200Y/7620 13970Y/8070 10 (8,4) 15 (12,7)

13800Y/7970 14520Y/8388 10 (8,4) y 12 (10,2) 15 (12,7)

13800 14520 18 (15,3)20780Y/12000 22000Y/12700 15 (12,7) 21 (17,0)

22860Y/12000 22000Y/12701 16 (12,7) 21 (17,0)

23000 24340 30 (24,4)

24940Y/14400 26400Y/15240 18 (15,3) 27 (22,0)

27600Y/15935 29255Y/16890 21 (17,0) 30 (24,4)

34500Y/19920 36510Y/21080 27 (22,0) 36 (29,0)

Tensin Nominal Tensin Mximo

Tensin del Sistema(Vrms)

Tensiones Nominales de Pararrayos (MCOV) comunmente aplicados(kV rms)

La tabla 3.1, extrada de la norma, brinda tensiones nominales de pararrayos de

xidos metlicos comnmente aplicadas en sistemas de distribucin, mientras que en la


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tabla 3.2 se muestran las caractersticas de proteccin de pararrayos de xido metlico

de distribucin.

Tabla 3. 2 Caractersticas de proteccin tpicas para pararrayos [6]

5 kA 10 kA 5 kA 10 kA

3 2,55 11,2 - 17 13,5 - 17 10,2 - 16 9,1 - 16

6 5,1 22,3 - 25,5 26,5 - 35,3 20,3 - 24 18,2 - 25

9 7,65 33,5 - 36 26,5 - 35,3 30 - 33,5 21,7 - 31,5

10 8,4 36 - 37,2 29,4 - 39,2 31,5 - 33, 24,5 - 35

12 10,2 44,7 - 50 35,3 - 50 40,6 - 44 32,1 - 44

15 12,7 54,0 - 58,5 42,0 - 59 50,7 - 52 35,9 - 52

18 15,3 63 - 67 51,0 - 68 58,0 - 60,9 43,3 - 61

21 17 73 - 80 57,0 - 81 64,0 - 75 47,8 - 75

24 19,5 89,0 - 92 68,0 - 93 81,1 - 83 57,6 - 8327 22 94,0 - 100,5 77,0 - 102 87,0 - 91,1 65,1 - 91

30 24,4 107 - 180 85,0 - 109,5 94,5 - 99 71,8 - 99

36 29 125 99,0 - 136 116 83,7 - 125

FOW Tensin de Descarga (8/20 s)

Niveles de Proteccin - Rangos de la IndustriaRangos de Tensin(kV-rms)

Tensin

NominalMCOV

La seccin 6.3.1 nos habla de los valores MCOV de los pararrayos, se debe ser

consiente en que los pararrayos de xidos metlicos estn continuamente expuestos a

altos niveles de tensin de fase. El valor MCOV para un pararrayos es el mximo valor

designado (rms) de tensin que puede ser aplicado sin interrupcin entre los terminales

del pararrayos. En consecuencia, el ndice MCOV debe ser al menos igual a la tensin

mxima de funcionamiento continuo esperado en el lugar donde el pararrayos se va a

colocar.

Pasando a la seccin 6.3.2 se explica la Sobretensin Temporal (TOV) y como

los pararrayos contra sobretensiones son capaces de operar por perodos limitados de

tiempo sobre su MCOV. La cantidad de sobretensin que un pararrayos puede tolerar

con xito, depende de la longitud de tiempo que existe dicha sobretensin. Los

fabricantes pueden describir la capacidad de sobretensin de los pararrayos en forma de

una curva que muestra sobretensin temporal en funcin del tiempo permitido. Una

curva tpica se muestra en la figura 3.3 (Estas curvas son sensibles a la temperatura

ambiente y a la absorcin de energa previa a la sobretensin)


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Figura 3. 3 Curva tpica de TOV para un pararrayos sin explosores MOV

Para garantizar que la capacidad TOV del pararrayos no se supera, el TOV

mximo del sistema debe ser determinado, as como el tiempo mximo que el sistema

opera en ese estado anormal. Este estado de tensin anormal puede tener mltiples

causas, por ejemplo: sobretensiones en una fase no fallada durante una falla monofsica

a tierra, transitorios de conmutacin y ferroresonancia.

En el caso de la sobretensin debida a una falla monofsica a tierra, la norma permite multiplicar la tensin de lnea mxima de operacin (fase-fase) por el

coeficiente de aterrizamiento (COG). En la figura 3.4 se detalla el clculo tomado de la

norma. Se debe sealar que dicho mtodo se basa en la utilizacin redes de secuencia e

impedancias equivalentes vistas desde el punto donde ocurre la falla.


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Figura 3. 4 Clculo del COG.Donde:

R0 Resistencia de secuencia cero.

R1 Resistencia de secuencia positiva.

R2 Resistencia de secuencia negativa.

X0 Reactancia de secuencia cero.

X1 Reactancia de secuencia positiva.

X2 Reactancia de secuencia negativa.


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Durante este tipo de falla, el pararrayos se somete a un TOV cuya duracin est

en funcin de los tiempos de funcionamiento de los rels de proteccin y dispositivos de

interrupcin de falla. El MCOV del pararrayos seleccionado debe ser lo suficientemente

alto para que ni la magnitud ni la duracin de la TOV relacionada con la falla excedan

la capacidad del mismo.

En la seccin 6.3.2.1 Aplicacin de pararrayos en sistemas de distribucin se

hace referencia al uso de la curva TOV, donde bsicamente se toman dos valores, segn

la seccin 5.3.2 y tomando como ejemplo la figura 3.5, de la curva superior se puede

obtener el valor del tiempo permisible al cual puede ser sometido el pararrayos para un

MCOV determinado, mientras que la curva de abajo muestra lo mismo pero toma en

cuenta que el pararrayos puede haber absorbido energa del sistema previo a la

sobretensin.

Figura 3. 5 Ejemplo de curva TOV tpica, con energa previa absorbida del sistema

Para los sistemas de distribucin, el problema habitual no es la falta de datos,

sino ms bien un gran nmero de lugares, sobretensiones y duraciones distintas. Estas

diferencias deben tenerse en cuenta para determinar el tipo de pararrayos a utilizar en el

alimentador completo.

Adems dice que la ferrorresonancia es una preocupacin particular sobre los

sistemas de distribucin y aplicaciones propensas a esta pueden requerir atencin de


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pararrayos. Cuando los datos exactos de sobretensiones y sus respectivas duraciones se

encuentren disponibles, estos datos se pueden comparar con la curva estndar para

seleccionar el pararrayos.

Si se presentaran fallas en los pararrayos atribuibles al TOV, la seleccin de la

tensin nominal superior siguiente puede resolver el problema, o en casos extremos, un

estudio del sistema puede garantizar determinar el TOV en amplitud y duracin en las

locaciones problemticas.

En cuanto a la aplicacin de pararrayos en generadores de distribucin, la

seccin 6.3.2.2 menciona que se pueden producir sobretensiones cuando el generador y

una parte de la red de distribucin se separan de los clientes. Esto se conoce como

islanding o isla. En el pasado esto no haba sido un problema, en parte gracias a que

las unidades de generacin que estaban en funcionamiento eran pocas y la mayora eran

muy pequeas. Como el uso de generadores a nivel de distribucin ha aumentado as

como su tamao, la generacin de sobretensiones podra convertirse en un problema.

Los estudios sugieren que los pararrayos sobreviven la mayor parte de las veces

a estas situaciones si el sistema de proteccin puede desconectar el generador del

sistema en unos pocos segundos. Los esquemas de proteccin de fallas utilizados en el

lugar de generacin se esperan que detecten la condicin de isla y se de la

desconexin del sistema en cuestin de unos segundos. En los sistemas con una gran

generacin en comparacin a la carga posible, las compaas pueden considerar el uso

de pararrayos con nivel mayor.

En la seccin 6.3.3 se hace una diferencia entre normal duty vs heavy duty donde

se habla de que la diferencia en la utilizacin de uno u otro termino es ms bien

subjetiva y queda a criterio de quien lo utiliza, sin embargo para entender mejor la


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diferencia se presenta una tabla con las diferencias en las pruebas de diseo para

pararrayos normal duty y heavy duty. (IEEE Std C62.11-1993).

Tabla 3. 3 Requerimientos en las pruebas para los diferentes tipos de Pararrayos. [6]

Tipo de Prueba Servicio Normal Servicio PesadoCorriente de gran amplitud 65 kA (4/10 s) 100 kA (4/10 s)

Corriente de larga duracin 75 A x 2000 s 250 A x 2000 s

Impulso de corriente 5 kA (8/20 s) 10 kA (8/20 s)

Ya ahora de la tabla se puede deducir que el pararrayos para uso pesado o heavy

duty puede descargar una energa mayor que aquellos de uso normal, por lo que los

primeros se deben utilizar cuando se quiera soportar una descarga mayor a lo normal.

Por ejemplo, altas energas debidas a tormentas en lugares con un alto nmero anual de

das de tormenta, donde la cada de rayos son ms frecuentes y puede haber un mayor

nmero de descargas por encima de 65 kA.

Este tipo de pararrayos tambin podran ser elegidos para que se desempeen en

situaciones de altos aumentos repentinos de energa, como al desconectar grandes

cargas capacitivas. Para estos casos, otras clases de pararrayos pueden ser consideradas.

La corriente total de un rayo es poco probable que sea descargada por un nico

pararrayos y la cantidad de corriente descargada por este depende de la distancia entre el

impacto y el pararrayos, as como de la presencia de otros pararrayos, y el nivel de

aislamiento de la lnea.

Finalmente, la norma recomienda que antes de seleccionar cualquier supresor de

picos o pararrayos, todas las caractersticas, incluyendo los aspectos econmicos, deben

ser analizados.

En la seccin 6.4 Distribution system overvoltages ya se habla propiamente de

las sobretensiones en lneas de distribucin, y dentro de las principales sobretensiones

descritos en la norma estn las que se mencionan a continuacin:


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Sistemas de cuatro hilos, en estrellas y multi-aterrizados (6.4.1).

En estos casos se menciona que el MCOV del pararrayos debe ser igual o

superior a la tensin mxima continua que ser aplicada al pararrayos. Como alternativa

al clculo de las tensiones de fase a tierra durante fallas a tierra, la norma propone el

suponer un TOV, en las fases no falladas, que supera la tensin nominal de fase en la

lnea por un factor de 1.25. Dicho factor sera utilizado cuando se tiene una baja

resistencia entre la lnea y tierra, menor a 25 , y siempre y cuando el calibre del neutro

sea al menos el 50% del conductor de fase, de no ser as el factor aplicado ser mayor.

Muchas compaas utilizan para este clculo un factor de 1.35.

Sistemas de tres hilos, aterrizados y de baja impedancia, aterrizados solamente en

la fuente. (6.4.2)

Al igual que en el caso anterior, el MCOV del pararrayos debe ser igual o

superior a la tensin mxima continua que ser aplicada al pararrayos. Sin embargo para

la estimacin de la tensin de fase a tierra durante fallas monofsicas a tierra, la prctica

general segn la norma, consiste en asumir un TOV en las fases no falladas de 1.4 p.u.

En cuanto a la duracin mxima de este TOV tiene que ser determinada y se debe

examinar la curva para asegurarse de que el pararrayos puede soportar el TOV durante

la falla.

Si el sistema se aterriza a travs de una impedancia, el aumento en la tensin en

las fases no falladas fcilmente podra superar este 1.4 p.u. y por lo tanto deber ser

calculado. Al ocurrir un fallo en la instalacin del pararrayos, la tensin en las fases no

afectadas puede aumentar en el orden de 80% debido a la resistencia de la tierra en el

punto de la falla. Los valores para ambas fases deben ser calculados desde la tierra, a

travs de la resistencia y podra resultar en valores desiguales.


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Cuando existe la posibilidad de un backfeed en una parte del circuito, la cual ha

sido desconectada de la fuente a travs de dispositivos como transformadores o

condensadores que se encuentran conectados en esa parte del circuito, el TOV debe

asumirse como igual a la mxima tensin de lnea. En estos casos se puede suponer que

la duracin de esta condicin se encuentra dentro de la capacidad del pararrayos. Si la

duracin no pudiera ser determinada, el pararrayos debe seleccionarse de manera que su

valor de MCOV sea igual o superior al mximo nivel de tensin de lnea en el sistema.

Sistemas de tres hilos, alta impedancia de tierra, o sistemas conectados en delta.

(6.4.3)

Nuevamente el MCOV debe ser igual o superior a la tensin mxima continua

que ser aplicada al pararrayos. Durante una falla monofsica a tierra, la tensin de fase

en las otras dos fases, alcanzar valores equivalentes a la tensin de lnea. Debido a que

los valores de la corriente de falla son extremadamente bajos, los esquemas de

proteccin pueden permitir que estas fallas persistan un tiempo considerable. Como

consecuencia, la practica general es elegir un pararrayos cuyo MCOV sea superior al

mximo nivel de tensin de lnea en el sistema.

Un MCOV podr ser utilizado en donde un relevador limite la duracin de la

falla, pero el pararrayos debe tener la capacidad de soportar la tensin de lnea durante

el mximo tiempo requerido para limpiar la falla.

Sobretensin causada por efecto de la ferrorresonancia. (6.4.4)

Sobretensiones ferrorresonantes se producen cuando una inductancia con ncleo

ferromagntico saturable interacta con una capacitancia. La topologa del circuito L-C

en serie, usualmente resulta cuando un transformador trifsico, o bien un banco de

transformadores, se queda con una o dos fases desconectadas de la fuente. La

capacitancia esta dada por la lnea, por cables subterrneos, capacitancia interna en los


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devanados del transformador, o por bancos de capacitares en paralelo. Para que el

circuito ferrorresonante aparezca, una de las siguientes combinaciones debe estar

presente:

Un transformador sin conexin a tierra con conexin primaria (delta, deltaabierta, estrella sin aterrizar, transformador trifsico o banco) y una capacitancia

de fase conectada a la fase del transformador desconectada de la fuente.

Un transformador estrella-estrella, aterrizado, o bien un banco, con una o dos delas fases desconectada de la fuente, y una capacitancia sin aterrizar conectada

entre las fases abiertas del transformador en cualquiera de las terminales de este,

ya sea primarias o secundarias. La capacitancia sin conexin a tierra se da

tpicamente en la forma de un banco de capacitores en delta o estrella sin

aterrizar, o por la longitud de la lnea trifsica primaria.

Transformadores trifsicos estrella-estrella, aterrizados, construidos con ncleofive-leg o four-leg, que cuentan con una o dos fases desconectadas de la

fuente, y adems cuentan con capacitancia(s) fase a tierra conectada a alguna de

estas mismas fases, ya sea en el lado primario o secundario.

La magnitud de la sobretensin ferrorresonante depende de los devanados

primarios del transformador, as como de la capacitancia presente, en comparacin con

las caractersticas del transformador. Estos tienden a ser ms severos para

transformadores de altos niveles de tensin, transformadores pequeos en cuanto a

kVA, y aquellos con alta eficiencia (pequeas prdidas en el ncleo).

Para transformadores sin puesta a tierra en el primario, sobretensiones por

ferrorresonancia pueden alcanzar fcilmente de 3 a 4 p.u. la capacitancia interna del

transformador puede a menudo ser suficiente para provocar ferrorresonancia en

transformadores y bancos sin aterrizar.


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Las magnitudes de sobretensiones relacionadas con transformadores estrella,

aterrizados, construidos con ncleo five-leg o four-leg pueden sobrepasar los 2.5

p.u. Cables subterrneos con longitudes en el orden de pocos cientos de pies, son

suficientes para crear valores cresta de tensin de esta magnitud.

Capacitancias suficientes en comparacin con las caractersticas del

transformador se encuentran presentes en transformadores que se encuentran

virtualmente descargados (cargas menores que un pequeo porcentaje). La sobretensin

ferrorresonante puede persistir el tiempo que permanezca la condicin de fase abierta.

En la prctica, la condicin de una fase abierta es usualmente el resultado de

interrupciones intencionales por parte de compaas distribuidoras, o debidas a la

operacin de un dispositivo protector como por ejemplo un fusible, en el primer caso la

sobretensin estar presente hasta que la ultima fase sea interrumpida por parte de la

compaa, mientras que en el caso de la accin de un fusible este puede estar presente

un periodo extendido de tiempo.

Estas sobretensiones de ferrorresonancia pueden resultar en la falla del

pararrayos. El circuito ferrorresonante, como se le quiera ver, es una fuente de alta

impedancia y el pararrayos limitara la tensin mientras se descargan corrientes

relativamente pequeas. Como consecuencia la acumulacin de energa es relativamente

lenta y el pararrayos a menudo puede soportar la exposicin a estas sobretensiones por

periodos de varios minutos. Las curvas de TOV para pararrayos estn basadas en la

aplicacin de fuertes tensiones y no necesariamente reflejan la habilidad del dispositivo

para soportar la sobretensin debida a este fenmeno. Si los elementos de la vlvula del

pararrayos se elevan a una temperatura excesiva por la exposicin a sobretensiones

ferrorresonantes, la falla de este no es evidente hasta que la fase abierta, a la que el


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pararrayos est conectado, se vuelva a cerrar perfectamente a la fuente de sistema de

baja impedancia.

En muchos casos, el pararrayos no es llevado por ferrorresonancia hasta un

sobrecalentamiento durante el breve tiempo requerido para completar la operacin de

interrupcin. Adems, donde el disposi

Ubicación optima de pararrayos

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