NORMA TÉCNICA
COLOMBIANA
NTC
4616
2001-11-28
PARARRAYOS.
RECOMENDACIONES PARA SELECCIÓN Y USO
E:
SURGE ARRESTERS. SELECTION AND APPLICATION
RECOMMENDATIONS
CORRESPONDENCIA:
esta norma es equivalente (EQV) a la
IEC 60099-5
DESCRIPTORES:
pararrayos;
sobretensión;
contra el rayo.
descargador
de
protección eléctrica
I.C.S.: 29.120.50; 29.240.10
Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC)
Apartado
14237
Bogotá,
D.C.
Tel.
6078888
Fax
2221435
Prohibida su reproducción
Primera actualización
Editada 2001-12-18
PRÓLOGO
El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional
de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental
para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector
gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los
mercados interno y externo.
La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica
está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último
caracterizado por la participación del público en general.
La NTC 4616 (Primera actualización) fue ratificada por el Consejo Directivo del 2001-11-28.
Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en
todo momento a las necesidades y exigencias actuales.
A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través
de su participación en el Comité Técnico 383103 Aparatos para subestaciones de media y alta
tensión.
LUMINEX
MELEC S.A.
SCHNEIDER
Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las
siguientes empresas:
AISLA LTDA.
EMPRESAS MUNICIPALES DE CALI
ALSTOM T Y D
EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN
ASEA BROWN BOVERI
INTERCONEXIÓN ELÉCTRICA S. A.
CELSA
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA
CODENSA
SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y
CHEC
COMERCIO
DIMELCO
TECNA
DISICO LTDA.
UNIVERSIDAD DEL VALLE
ELECTRIFICADORA DE SANTANDER S.A.
VELÁSQUEZ
EMPRESA
DE
ENERGÍA
DE
CUNDINAMARCA
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados
normas internacionales, regionales y nacionales.
DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
PARARRAYOS.
RECOMENDACIONES PARA SELECCIÓN Y USO
INTRODUCCIÓN
Esta norma se destina a permitir una selección y una aplicación óptimas de los pararrayos
cuyas características se especifican en la NTC 2166 (IEC 99-1) y en la NTC 4389 (IEC 99-4).
Se pueden utilizar métodos de cálculo más complejos que los indicados aquí para obtener una
determinación más precisa de los requisitos de la red considerada; sin embargo, conviene que
estos métodos estén de acuerdo con los principios expuestos en la presente norma.
Las características de los pararrayos resultantes de la aplicación de esta norma serán
diferentes entre una red y otra. Ninguna aplicación numérica particular puede ser mencionada
como mejor que otra. No obstante, es probable que para ciertas redes, o para ciertos países,
los requisitos de confiabilidad y el diseño de las redes sean suficientemente uniformes para que
las recomendaciones de esta norma se puedan expresar mediante la definición de rangos
limitados de pararrayos. Los usuarios de pararrayos no tendrán que aplicar para cada nueva
instalación todo el proceso presentado aquí, sino que puede aplicar la selección de
características resultantes de la práctica anterior. Las autoridades competentes de cada país
pueden introducir los valores numéricos correspondientes en el Anexo B.
SECCIÓN 1: GENERALIDADES
1.1
OBJETO
Esta norma suministra recomendaciones para la selección y uso de pararrayos utilizables en
redes trifásicas de tensión nominal superior a 1 kV. La norma se refiere a los pararrayos de
resistencia no lineal con descargadores conformes con la NTC 2166 (IEC 99-1), así como los
pararrayos de óxido metálico sin descargador conformes con la NTC 4389 (IEC 99-4).
1.2
NORMAS QUE SE DEBEN CONSULTAR
Las siguientes normas contienen disposiciones que, mediante la referencia dentro de este
texto, constituyen disposiciones de esta norma. En el momento de su publicación eran válidas
las ediciones indicadas. Todas las normas están sujetas a actualización; los participantes,
mediante acuerdos basados en esta norma, deben investigar la posibilidad de aplicar la última
versión de las normas mencionadas a continuación.
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NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
NTC 3328:1992, Coordinación de aislamiento. Términos, definiciones, principios y reglas
(IEC 71-1).
NTC 3379:1992, Ensayos de contaminación artificial en aisladores de alta tensión para
sistemas de corriente alterna (IEC 507)
NTC 3389:1992, Coordinación de aislamiento. Guía de aplicación (IEC 71-2).
NTC 4389:1998, Descargadores de sobretensiones (pararrayos de óxido metálico sin
espaciadores (Without Gaps)) para sistemas de corriente alterna. (IEC 99-4)
NTC 2166:2000, Descargadores de sobretensiones de resistencia variable con explosores para
redes de corriente alterna (IEC 99-1).
IEC 99-3:1990, Surge Arresters- Part 3: Artificial Pollution Testing of Surge Arresters
Nota. Este informe técnico se aplica a pararrayos con descargadores de acuerdo con la NTC 2166 (IEC 99-1).
IEC 815: 1986, Guide for the Selection of Insulators in Respect of Polluted Conditions
1.3
PRINCIPIOS GENERALES PARA LA APLICACIÓN DE PARARRAYOS
La NTC 3328 (IEC 71-1) especifica tensiones no disruptivas para los dos rangos siguientes de
las tensiones más elevadas para el equipo:
-
rango I: tensión superior a 1 kV e inferior o igual a 245 kV
-
rango II: tensión superior a 245 kV
En las redes aéreas o mixtas del rango I, los equipos están amenazados principalmente por
descargas de rayos inducidos y directos sobre las líneas aéreas a las cuales están conectados.
En las redes que no estén conectadas a líneas aéreas, las sobretensiones más susceptibles de
producirse son ocasionadas por fallas o por maniobras. Sin embargo, en circunstancias poco
frecuentes, es posible que se presenten sobretensiones inducidas por descargas de rayos. En
las redes del rango II, además de los factores mencionados para el rango I, las sobretensiones
de maniobra vienen a ser importantes, y tanto más cuando la tensión de la red es elevada. Las
sobretensiones pueden provocar descargas disruptivas y desgastes serios de los equipos, y
comprometer así el suministro de energía para los usuarios. Es indispensable evitar esto
mediante una coordinación apropiada entre los pararrayos y el nivel de aislamiento. Es
recomendable, por lo tanto, el uso de pararrayos cuando existe la posibilidad de
sobretensiones por rayos o por maniobras, las cuales pueden ser peligrosas para el equipo.
Es deseable que estos pararrayos sean elementos confiables de la red. Los pararrayos se
diseñan de tal modo que puedan resistir las tensiones y las corrientes transferidas a través de
ellos, con una confiabialidad suficientemente grande en que se tenga en cuenta la
contaminación y otros problemas relativos al sitio. Para cada categoría de red, estos esfuerzos
de tensión son (véase la NTC 3328 (IEC 71-1)):
2
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
-
la tensión de operación
-
las sobretensiones temporales
-
las sobretensiones de frente lento
-
las sobretensiones de frente rápido.
Las sobretensiones de frente lento debidas a operaciones tienen una importancia especial en el
caso de los pararrayos que protegen equipos del rango II.
En general, una buena protección de los equipos y el uso de pararrayos de tensiones
nominales elevadas son requisitos contradictorios. La selección de un pararrayos conveniente
es entonces un proceso de optimización que debe tomar en consideración un gran número de
parámetros relativos a la red y a los parámetros del equipo.
Los pararrayos de óxido metálico sin descargador son particularmente adecuados para las
redes con neutro puesto a tierra porque ellos ofrecen una mejor protección contra las
sobretensiones de frente lento. En estas redes la utilización de pararrayos tiende a ser
esencialmente de los del tipo de óxido metálico. Los pararrayos con descargadores pueden
ofrecer ventajas en algunas redes con neutro aislado o puestas a tierra mediante bobina de
compensación, para las cuales las sobretensiones temporales debidas a una falla a tierra
pueden ser de larga duración y en que se requiera un bajo nivel de protección. Además de que
ha sido el tipo de pararrayos utilizado tradicionalmente en todos los rangos de tensiones, el uso
de pararrayos con descargadores puede ser adecuado para las redes del rango I, en particular
para las tensiones más bajas del rango.
1.4
PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA SELECCIÓN DE PARARRAYOS
El procedimiento iterativo siguiente, descrito en el diagrama de flujo de la Figura 1, es
recomendable para la selección de los pararrayos:
-
se determina la tensión de régimen permanente del pararrayos en función de la
tensión de servicio más elevada de la red
-
se determina la tensión nominal del pararrayos en función de las sobretensiones
temporales.
3
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Figura 1. Diagrama de flujo para la selección de pararrayos
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NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
-
NTC 4616 (Primera actualización)
se estima la amplitud y la probabilidad de las corrientes de descarga de rayos
previsibles a través del pararrayos, se determinan los esfuerzos ligados a la
descarga de las líneas de transmisión y se selecciona la corriente nominal de la
descarga, el valor de impulso de corriente de gran amplitud y la clase de descarga
de línea del pararrayos.
Nota. Si se necesitan valores de corriente de gran amplitud diferentes de los valores normalizados
(véase la NTC 4389 (IEC 99-4), Tabla 6, nota), estos valores se deben seleccionar en función de la
corriente de descarga del rayo.
-
se selecciona la clase de aliviador de presión del pararrayos en función de la
corriente de falla previsible.
-
se selecciona un pararrayos adaptado a los requisitos formulados antes.
-
se determinan las características de protección a los impulsos tipo maniobra y tipo
rayo.
-
se coloca el pararrayos tan cerca como sea posible del aparato a proteger.
-
se determina la coordinación de la tensión no disruptiva al impulso tipo maniobra
del equipo protegido, teniendo en cuenta las sobretensiones de frente lento
representativas y la configuración de la red.
-
se determina la coordinación de la tensión no disruptiva al impulso tipo rayo,
teniendo en cuenta:
*
la sobretensión tipo rayo incidente representativo definido por el
comportamiento de la línea a esta sobretensión y la tasa de falla aceptable
del equipo protegido.
*
la configuración de la subestación.
*
la distancia entre el pararrayos y el equipo protegido.
-
se determina el nivel de aislamiento nominal del equipo según la NTC 3328 (IEC 71-1).
-
si se desea que el nivel de aislamiento nominal del equipo sea menor que el
obtenido, es recomendable estudiar soluciones tales como la selección de una
tensión de régimen permanente menor, de una tensión nominal menor, de una
corriente nominal de descarga mayor, de una clase de descarga de línea mayor,
de un diseño diferente del pararrayos o de una reducción de la distancia entre el
pararrayos y el equipo protegido.
Nota. Una tensión de servicio permanente o una tensión nominal menor puede disminuir la
confiabilidad en servicio de los pararrayos.
Este procedimiento iterativo se detalla en las secciones 2, 3 y 4 de este documento.
5
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
1.5
NTC 4616 (Primera actualización)
RESISTENCIA A LA CONTAMINACIÓN DE LA CUBIERTA DEL PARARRAYOS
Los depósitos de contaminación sobre la cubierta pueden causar descargas disruptivas o un
aumento de la temperatura de los dispositivos de repartición de tensión en los pararrayos con
descargadores y un fuerte aumento de temperatura de los varistores en los pararrayos de óxido
metálico. Como precaución contra las fallas de los pararrayos en las zonas contaminadas, es
necesario seleccionar pararrayos con capacidad de soportar las condiciones de contaminación
locales. Aunque esto no se especifica explícitamente en la NTC 2166 (IEC 99-1) ni en la NTC 4389
(IEC 99-4), es conveniente que los pararrayos utilizados en condiciones de servicio normales
resistan los esfuerzos del nivel de contaminación II (contaminación promedio) definidas en la
NTC 3389 (IEC 71-2). Si el entorno donde el pararrayos esté instalado está sometido a un nivel
de contaminación más elevado, esto puede disminuir la eficacia del pararrayos. Si se utilizan
pararrayos de diseño inadecuado en zonas fuertemente contaminadas (nivel III) o muy
fuertemente contaminadas (nivel IV), puede ser eficaz una limpieza o un engrase periódico
como precaución contra los efectos mencionados antes.
Cuando haya el propósito de efectuar una limpieza bajo tensión, es necesario asegurarse que
los pararrayos hayan sido diseñados para tales condiciones de funcionamiento.
SECCIÓN 2: PARARRAYOS DE RESISTENCIA NO LINEAL CON
DESCARGADORES SEGÚN LA NTC 2166 (IEC 99-1)
2.1
CARACTERÍSTICAS DE LOS PARARRAYOS CON DESCARGADORES
2.1.1
Generalidades
Las características fundamentales de los pararrayos con descargadores en serie son su
tensión nominal, sus tensiones de descargas, sus corrientes nominales de descarga y sus
tensiones residuales a estas corrientes.
El desempeño de la protección se caracteriza por las tensiones de descargas al frente de onda
y al impulso tipo rayo, así como los impulsos tipo maniobra cuando esto es aplicable; también
se caracteriza por las tensiones residuales a la corriente nominal de descarga y, cuando sea
aplicable, a las corrientes de impulso tipo maniobra. Para determinada tensión nominal, existen
diferentes tipos de pararrayos y, por consiguiente, diferentes niveles de protección.
Se deben tomar en consideración otras características de los pararrayos: tensión de régimen
permanente, clase de descarga de larga duración, clase de aliviador de presión, resistencia
bajo contaminación, aptitud para la limpieza bajo tensión y propiedades mecánicas particulares.
2.1.2
Tensión nominal
Es el valor máximo admisible de la tensión eficaz a frecuencia industrial entre los terminales del
pararrayos, para la cual éste último ha sido diseñado si se quiere que funcione correctamente,
según las condiciones del ensayo de funcionamiento. La tensión nominal se utiliza como un
parámetro de referencia para la especificación de las características de funcionamiento.
Nota. Ciertos pararrayos destinados a las redes del rango II son diseñados para que se desactiven a tensiones de
frecuencia industrial superiores a la tensión nominal. Esta tensión suele llamarse “tensión de desactivación en
sobretensión temporal”. Dado que la NTC 2166 (IEC 99-1) no especifica ningún ensayo susceptible de demostrar el
funcionamiento correcto de tales pararrayos, es recomendable que entre el usuario y el fabricante se acuerden las
modalidades de ensayo y de utilización.
6
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
En ciertos casos, por ejemplo para el ensayo de contaminación según la norma IEC 99-3,
conviene conocer el valor máximo de la tensión eficaz a frecuencia industrial que se pueda
aplicar de manera permanente entre los terminales del pararrayos. Para los pararrayos
destinados a proteger los equipos del rango I según la NTC 3328 (IEC 71-1), esta tensión
puede ser igual a la tensión nominal del pararrayos. La tensión nominal suele ser inferior en el
caso de pararrayos del rango II. Dado que la NTC 2166 (IEC 99-1) no especifica ningún ensayo
para fijar el valor de esta tensión, conviene obtener del fabricante el valor que se deba utilizar.
2.1.3
Niveles de protección
El nivel de protección a los impulsos tipo rayo es el más elevado de los valores siguientes:
-
tensión de descargas de impulso tipo rayo normalizado:
-
tensión residual a la corriente nominal de descarga.
Nota. Cuando interese proteger equipos contra las sobretensiones de frente rápido, se considera que el aislamiento
sumergido en aceite de transformadores es al menos 15 % mayor que su resistencia al impulso tipo rayo en onda plena
para sobretensiones de duración inferior a 3 µs. En consecuencia, las tensiones máximas especificadas en la NTC 2166
(IEC 99-1), Tabla 8, para descargas disruptivas de frente de onda son 15 % mayores que los del impulso tipo rayo
normalizado.
Otros tipos de aislamiento, como en los transformadores de medida, los cables o las
subestaciones bajo cubierta metálica y el aislamiento gaseoso, pueden tener características de
resistencia diferentes, y la tensión de descargas disruptivas de frente de onda puede entonces
requerir una atención particular.
El nivel de protección en el impulso tipo maniobra se aplica en el apantallamiento de equipos
contra las sobretensiones de frente lento. Es el mayor de los valores entre la tensión de
descargas disruptivas de impulso tipo maniobra y la tensión residual de impulso tipo maniobra.
Nota. Cuando no se conoce la característica de descargas disruptivas de impulso tipo maniobra de un tipo de
pararrayos, sólo se puede obtener una información aproximada mediante la tensión de descargas disruptivas a
frecuencia industrial.
2.1.4
Corriente nominal de descarga
Es el valor de cresta de una corriente de descarga de forma de onda 8/20, que se utiliza para
definir un pararrayos. Es igualmente la corriente de descarga que se utiliza para iniciar la
corriente siguiente en el curso del ensayo de funcionamiento y para establecer el nivel de
protección del pararrayos frente a las sobretensiones tipo rayo.
2.1.5
Clase de descarga de larga duración
Es el número relativo a la capacidad de absorción de energía de un pararrayos durante
descargas de línea de gran longitud. Los números crecientes (véase la Tabla 5 de la NTC 2166
(IEC 99-1)) corresponden a valores crecientes de la red y a una longitud de línea más grande,
así como a factores de sobretensiones y de impedancias de onda decrecientes.
7
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2.1.6
NTC 4616 (Primera actualización)
Clase de aliviador de presión
Es el número relativo a la capacidad de un pararrayos para resistir las corrientes de falla
interna, que sobrevienen después de una falla, sin explosión violenta de la cubierta (véase el
numeral 8.7 de la NTC 2166 (IEC 99-1)).
2.1.7
Resistencia bajo contaminación
Para los pararrayos destinados a ser utilizados en zonas contaminadas de los niveles III y IV
según la NTC 3389 (IEC 71-2), es recomendable un ensayo de contaminación según la
norma IEC 99-3. Este ensayo permite obtener informaciones sobre las características de
descargas disruptivas. La resistencia a descargas disruptivas en la cubierta se puede verificar
de acuerdo con la NTC 3379 (IEC 507).
2.1.8
Aptitud para la limpieza bajo tensión
La limpieza bajo tensión puede hacer necesario un diseño especial de los pararrayos. La
resistencia se verifica mediante ensayos apropiados que se deben definir.
En lo referente al diseño de los equipos de limpieza, conviene prestar una atención particular a
los puntos siguientes:
-
se debe utilizar agua que tenga una resistividad conveniente:
-
la presión y la disposición de los pulverizadores deben ser tales que la totalidad
del pararrayos, tanto sobre su longitud como sobre su circunferencia, sea
humedecido lo más uniformemente posible y en el mismo momento. Por esta
razón, es necesario tener en cuenta la máxima velocidad permisible del viento.
2.2
SELECCIÓN DE PARARRAYOS CON DESCARGADORES. CONECTADOS ENTRE
FASE Y TIERRA
2.2.1
Tensión nominal
Es común considerar que un pararrayos debe soportar los esfuerzos debidos a las
sobretensiones temporales resultantes de una falla a tierra en una fase que implique un
aumento de la tensión en las fases siguientes en el momento en que se produzca un
funcionamiento del pararrayos sobre una de estas fases. Se pueden producir sobretensiones
temporales por otras razones, y es recomendable seleccionar la tensión nominal del pararrayos
teniendo en cuenta la sobretensión más elevada. En ciertos casos, también puede ser
necesario considerar las sobretensiones temporales resultantes de la aparición simultánea de
diferentes fenómenos, como una pérdida súbita de la carga y una falla a tierra, teniendo en
cuenta su probabilidad de aparición.
Siempre es recomendable tener en cuenta las siguientes causas de sobretensiones
temporales:
8
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
-
NTC 4616 (Primera actualización)
Fallas a tierra:
Estas sobretensiones se producen en una gran parte de la red. En el Anexo A se
incluyen directrices sobre la determinación de las amplitudes de sobretensiones
temporales. La duración de las sobretensiones corresponde a la duración de la
falla (hasta su despeje) En las redes con neutro puesto a tierra, esta duración
suele ser inferior a 1 s. En las redes con neutro puesto a tierra mediante bobina de
compensación con despeje de falla, tal duración suele ser inferior a 10 s. En las
redes sin despeje de falla a tierra, la duración puede ser de varias horas.
-
Rechazos de carga:
Después de haber desconectado las cargas, la tensión se eleva al lado de la
fuente del disyuntor que ha funcionado. La amplitud de la sobretensión depende
de las características de la carga desconectada y de la potencia de cortocircuito
de la subestación de alimentación. Las amplitudes de sobretensiones temporales
son especialmente elevadas después de una pérdida total de carga al nivel de los
transformadores generadores según las condiciones de magnetización y de
sobrevelocidad. La amplitud de las sobretensiones debidas a rechazos de carga
no suele ser constante a lo largo de su duración. En el caso de cálculos precisos,
se deben tener en cuenta numerosos parámetros.
Los valores típicos siguientes pueden servir de indicación:
-
En redes moderadamente extendidas, un rechazo a plena carga puede originar
una sobretensión fase-tierra con amplitud usualmente inferior a 1,2 p.u. Su
duración depende del funcionamiento del equipo que regula la tensión y puede
alcanzar varios minutos.
-
En redes grandes, después de un rechazo a plena carga, las sobretensiones de
fase-tierra pueden alcanzar un valor de 1,5 p.u., o inclusive más cuando se
producen efectos Ferranti o fenómenos de resonancia. Su duración puede ser del
orden de algunos segundos.
-
Para los rechazos de carga en el caso de transformadores-generadores, las
amplitudes de sobretensiones temporales pueden alcanzar valores que van hasta
1,4 p.u. para los turboalternadores y hasta 1,5 p.u. para los hidrogeneradores. La
duración es del orden de 3 s.
-
Cuando se conoce la evolución de la amplitud en función del tiempo, la
sobretensión se puede representar en forma conveniente mediante la amplitud
máxima y una duración igual al tiempo durante el cual las amplitudes sean
superiores al 90 % de este valor.
En ciertas redes, es necesario considerar las siguientes causas de sobretensiones temporales:
-
efectos de resonancia, por ejemplo, durante la carga de líneas largas en vacío, o
resonancias entre redes:
9
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
-
elevación de tensión a lo largo de líneas de gran longitud (efecto Ferranti)
-
sobretensiones armónicas, por ejemplo, durante maniobras de transformadores
-
transmisión de una sobretensión entre los devanados de un transformador, por
ejemplo en el caso de una subestación de transformación de dos transformadores
con un juego de barras secundarias comunes durante el despeje de fallas, o la
maniobra monofásica de un transformador trifásico con una carga desequilibrada
en el secundario.
Es recomendable no basar la selección de pararrayos en sobretensiones temporales debidas a
ferro-resonancias, pero evitar la aparición de esas sobretensiones.
La combinación de causas tales como fallas a tierra y rechazos de carga puede dar como
resultado valores de sobretensiones temporales más elevados que en el caso de eventos
simples. Cuando se considera que tales combinaciones son suficientemente probables, se
deben combinar los factores de sobretensiones de cada una de las causas, teniendo en cuenta
la configuración de la red existente.
Notas:
1)
La selección de la tensión nominal del pararrayos correspondiente a las sobretensiones temporales más
elevadas de la red, se basa en la hipótesis de que tal tensión más elevada de la red no se sobrepase en las
condiciones normales de operación. Si hay la posibilidad de que en la red aparezcan tensiones anormales,
aumentando así la probabilidad de que el pararrayos funcione en tales condiciones, puede ser necesario
utilizar un pararrayos de tensión nominal superior a la recomendada antes, en función de esas condiciones
particulares.
2)
Las tensiones de operación con frecuencias distintas de 50 Hz ó 60 Hz puede requerir consideración especial
durante la fabricación o la utilización del pararrayos, y deberá ser objeto de discusiones entre el fabricante y el
usuario.
Los pararrayos destinados a las redes con neutro aislado o puestos a tierra mediante bobina de
compensación. sin dispositivo de despeje automático de fallas a tierra, se seleccionarán en tal
forma que resistan la aplicación permanente de la tensión nominal, debido a que la
sobretensión temporal puede tener una larga duración. Los pararrayos que se deban instalar
en redes que incorporen un dispositivo de despeje automático de fallas a tierra, sólo deben
resistir en forma permanente la tensión máxima fase-tierra de la red. Este valor reducido se
puede obtener del fabricante.
2.2.2
Corriente nominal de descarga
2.2.2.1 Factores que influyen en las corrientes de descarga tipo rayo. Como regla general, las
corrientes en los pararrayos ocasionadas por descargas atmosféricas son menos elevadas que
la corriente de rayo. En el caso de descargas de rayos directas sobre las líneas, las ondas se
propagan en direcciones opuestas respecto del punto del impacto. Las descargas disruptivas
en el aislamiento de la línea establecen un camino paralelo a tierra que desvía una parte de la
corriente de rayo. En el caso de descargas de rayo a más de un conductor, o descargas
disruptivas entre conductores, dos o más pararrayos pueden operar y compartir la corriente. El
único caso en que el pararrayos tiene que descargar la mayor parte de la corriente de rayo se
produce cuando una descarga de rayo directa cae muy cerca del extremo del pararrayos y que
no se produzca ninguna descarga disruptiva antes de que el pararrayos funcione. Es posible
reducir de manera significativa la probabilidad de ese acontecimiento mediante un
apantallamiento adecuado. Con base en datos estadísticos generales o locales, se pueden
10
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
obtener informaciones concernientes a los parámetros de rayo. La relación entre las corrientes
de rayo y las corrientes de descarga en los pararrayos se pueden entonces obtener a partir de
simulaciones numéricas de propagación de ondas.
Las líneas aéreas se pueden proteger contra las descargas de rayos directas sobre los
conductores utilizando cables de guarda, que estén posicionados de tal manera que
intercepten las descargas de los rayos y dirijan su corriente a tierra por la vía de torres o postes
metálicos. Cuando se utilicen postes de madera, los cables de guarda se conectan a tierra
mediante conductores de baja impedancia.
La mayoría de las descargas de rayos directas sobre los conductores de líneas se eliminan
gracias a la utilización de cables de guarda. Cuando se produzca una descarga de rayo directa
(falla de apantallamiento), la descarga disruptiva de la línea es casi segura en las redes del
rango I. El número de fallas de apantallamiento y su severidad se pueden limitar optimizando el
número y la localización de esos cables. Cuando una descarga de rayo cae sobre un cable de
guarda, la corriente del rayo se dirige a tierra mediante los soportes a los cuales estén
conectados los conductores. Teniendo en cuenta la impedancia del camino recorrido por la
corriente, incluyendo la impedancia de onda del suelo, aparece una tensión en la parte superior
de la estructura de la línea. Una parte de esta tensión aparece por acoplamiento sobre el
conductor de fase. El aislamiento de la línea se somete a una tensión igual a la diferencia entre
el potencial del conductor de fase y el potencial de la parte superior de la estructura, que puede
provocar una descarga disruptiva. Este tipo de descarga disruptiva se llama descarga
disruptiva de retorno. La tasa de descargas disruptivas de retorno se limita seleccionando un
nivel de aislamiento adecuado, manteniendo la resistencia de puesta a tierra de la estructura a
un valor suficientemente bajo, y manteniendo una distancia apropiada entre el conductor y la
estructura, entre el conductor y el cable de guarda y entre conductores, así como también
optimizando la geometría de las torres.
Para la protección de las subestaciones, es posible seguir disposiciones análogas a la
protección de las líneas. Los métodos de protección utilizan conductores aéreos puestos a
tierra, mástiles metálicos y pararrayos instalados sobre la estructura de la subestación. La
implantación de estos métodos puede dar lugar a muchas combinaciones.
En el caso de instalaciones que no estén apantalladas contra descargas de rayos directas, por
ejemplo los transformadores de distribución o las uniones aerosubterráneas sobre las líneas
soportadas mediante postes de madera, tanto el aislamiento como el pararrayos pueden estar
sujetos a descargas de rayos directas que producen corrientes de descarga extremadamente
elevadas. De manera general, la corriente de rayo y una corriente de descarga correspondiente
se deben basar en sus probabilidades de aparición.
En el caso de las subestaciones, el propósito del apantallamiento es reducir el riesgo de falla
de aislamiento a un nivel aceptable. En ciertos casos, este propósito se puede alcanzar
protegiendo sólo la subestación. En otros casos, puede ser necesario proteger todas las líneas
de entrada a la subestación. La protección de las líneas mediante cable de guarda en una
distancia relativamente corta respecto de la subestación ofrece las mismas ventajas para la
protección de la subestación que la protección completa de la línea.
La probabilidad de descargas de rayos directas sobre los conductores de fase se reduce a un
nivel bajo mediante un buen diseño del apantallamiento del aislamiento y de las puestas a
tierra. Además, las tensiones soportadas por el aislamiento en casos de descarga de rayo
sobre el apantallamiento se reducen por debajo de los niveles de descargas disruptivas. Por
consiguiente, las corrientes de descarga del pararrayos se reducen, y permiten por ese hecho
que el pararrayos proteja mejor el aislamiento de los equipos y tenga que soportar menores
esfuerzos.
11
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
2.2.2.2 Selección de corriente nominal de descarga. En general la corriente nominal de
descarga se selecciona, teniendo en cuenta:
-
la importancia y el grado de protección deseado. El hecho de determinar los
niveles de protección con base en las mayores magnitudes y tasas de aumento de
corriente, incrementa la confiabilidad de la protección.
-
el número de líneas conectadas durante el funcionamiento del pararrayos. Por el
hecho de los reflejos de ondas, la corriente de descarga del pararrayos se afecta
por la impedancia de onda de las líneas y de los cables conectados en paralelo.
-
el aislamiento de la línea. Cuando el aislamiento de la línea es más fuerte (por
ejemplo, postes de madera enteramente aislados), las corrientes de descarga de
rayo son potencialmente más elevadas, salvo que la descarga del rayo caiga tan
cerca del pararrayos que la impedancia y el aislamiento de la línea no puedan
influir en la sobretensión. Cuando los pararrayos se utilicen en una subestación a
la cual están conectadas las líneas sobre postes de madera con crucetas no
puestas a tierra, conviene que al menos un poste, preferiblemente el último de
esta línea, tenga crucetas puestas a tierra con una baja impedancia. En caso de
altas impedancias de tierra, varios postes deben ser puestos a tierra sobre una
distancia a la subestación de aproximadamente cinco vanos.
-
la probabilidad de aparición de corrientes de rayo más elevadas. La amplitud de
las corrientes de rayo varía en un amplio rango de valores. Las líneas que se
encuentren en entornos en donde la densidad de descargas de rayos a tierra sea
elevada, tienen mayores posibilidades de recibir una descarga de rayo de amplitud
de corriente elevada.
-
las características de la línea y de los fenómenos de rayos. Las corrientes de
descarga de rayos y las pendientes de frente son funciones de las tasas de
descargas disruptivas de retorno y de las fallas de apantallamiento de protección
de las líneas (o de las tasas de descargas disruptivas de las líneas sin cable de
guarda) que se encuentren a una distancia limitada respecto de la subestación.
Las tasas de fallas de apantallamiento más (menos) elevadas aumentan (reducen)
la amplitud y la pendiente de frente probables de la corriente de descarga de rayo.
Respecto a las corrientes nominales de descarga normales según la NTC 2166 (IEC 99-1), la
experiencia muestra que si se aplican las recomendaciones siguientes, se alcanza un nivel de
protección satisfactorio.
Rango I (más de 1 kV y hasta 245 kV): 5 kA ó 10 kA
En las redes del rango I de la NTC 3328 (IEC 71-1), en las cuales las longitudes de las líneas
que separen los pararrayos sean cortas (inferiores a 5 km), los pararrayos de corriente nominal
de descarga de 5 kA que protejan los transformadores de distribución son suficientemente
confiables, inclusive cuando los transformadores estén conectados a líneas apoyadas sobre
postes de madera con crucetas no puestas a tierra.
12
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
En el caso de redes cuya tensión más elevada sea inferior o igual a 72,5 kV, los pararrayos
cuya corriente nominal de descarga sea de 5 kA pueden ser suficientes en las regiones donde
la densidad de descargas de rayos al suelo sea poco elevada, o donde las líneas aéreas estén
bien apantalladas con impedancias bajas de puesta a tierra de las torres. Los pararrayos cuya
corriente nominal de descarga sea de 10 kA pueden ser preferibles para las instalaciones
importantes (necesidad de la mejor protección), particularmente en las regiones que tienen una
elevada densidad de descargas de rayos o un suelo que presenta una alta resistencia.
Suele ser recomendable utilizar pararrayos de corriente nominal de descarga de 10 kA para las
redes cuya tensión más elevada sea superior a 72,5 kV.
Rango II (por encima de 245 kV): 10 kA ó 20 kA
Los pararrayos cuya corriente nominal de descarga sea de 10 kA suelen ser suficientes para
las redes cuya tensión más elevada sea inferior o igual a 420 kV.
En el caso de redes cuya tensión más elevada sea superior a 420 kV, puede ser necesario
utilizar pararrayos de 20 kA.
2.2.3
Capacidad de eliminación de ondas de corriente de larga duración
En el caso de instalaciones a las cuales estén conectadas líneas o cables de gran longitud o de
capacitancias de gran valor, el pararrayos debe poder soportar la corriente de descarga y la
energía debidas a las sobretensiones de maniobra. Para los pararrayos de 10 kA de servicio
pesado, los parámetros de ensayo se deben entonces fijar para cada rango de tensiones de la
red (véase el numeral 8.5.3 de la NTC 2166 (IEC 99-1)); ellos son representativos de la
disipación de energía a través de los pararrayos de la red que interese. Para equipos del rango
II suelen utilizarse pararrayos de servicio pesado. Para los equipos del rango I, se utilizan
pararrayos de servicio pesado en el caso de subestaciones importantes, cuando se requiere un
bajo nivel de protección o cuando al juego de barras estén conectadas líneas de gran longitud,
cables o bancos de condensadores. En los otros casos, por ejemplo cuando las líneas de
entrada sean relativamente cortas (menos de 100 km), se suelen utilizar pararrayos de 10 kA
de servicio no pesado o pararrayos de 5 kA.
2.2.3.1 Pararrayos de servicio pesado. Los requisitos de ensayo dados en la Tabla 5 de la NTC
2166 (IEC 99-1) se determinan con base en el esfuerzo ligado a la descarga de las líneas de
transferencia en un pararrayos de tensión nominal igual a 1,4 veces la tensión de fase a tierra
más elevada de la red.
Normalmente, la clase de descarga de larga duración corresponde a la tensión de la red; véase
la Tabla 1. Sin embargo, cuando las características de la línea se aparten sensiblemente de las
de la Tabla 1, la energía disipada por el pararrayos en las condiciones de servicio debe ser
comparada con la disipada durante el ensayo de acuerdo con la Tabla 1. Cuando ello sea
necesario, se pueden utilizar pararrayos de una clase de descarga correspondiente a una
tensión de red diferente. En un caso parecido, es recomendable efectuar un estudio de las
circunstancias.
13
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Tabla 1. Relación entre la clase de descarga de larga duración y las características
de las líneas de transmision (véase la Tabla C.1 de la NTC 2166 (IEC 99-1))
Clase de descarga
de larga duración
1
2
3
4
5
*
Rango aproximado
de tensiones de la
red más elevadas
kV
Hasta 245
Hasta 300
Hasta 420
Hasta 525
Hasta 765
Longitud
aproximada de la
línea
km
300
300
360
420
480
Valor aproximado
de la impedancia
de onda de la línea
Ω
450
400
350
325
300
Factor de
sobretensión
aproximada
*
(p.u.)
3,0
2,6
2,6
2,4
2,2
El denominador para la relación de los valores por unidad es el valor de cresta de la tensión más elevada
de la red entre fase y tierra
2.2.3.2 Pararrayos de 10 kA para servicio no pesado y 5 kA
Para los pararrayos de 10 kA para servicio no pesado y 5 kA, no se hace ninguna
diferenciación de la tensión de la red; sólo se especifica una corriente de ensayo en onda
rectangular.
2.2.4
Clase de limitador de presión
En caso de falla interna de un pararrayos, conviene que la corriente de falla que pasa a través
de él no ocasione destrucción violenta de su cubierta. Por consiguiente, es recomendable que
la corriente de falla que el pararrayos deba soportar sea superior o igual a la máxima corriente
de falla a través del pararrayos, en el lugar donde esté instalado dicho pararrayos.
En el caso en que se necesiten valores más elevados que los incluidos en la Tabla 7 de la NTC 2166
(IEC 99-1), conviene que el usuario consulte al fabricante.
SECCIÓN 3: PARARRAYOS DE ÓXIDO METÁLICO SIN DESCARGADOR
SEGÚN LA NTC 4389 (IEC 99-4)
3.1
DATOS CARACTERÍSTICOS DE LOS PARARRAYOS DE ÓXIDO METÁLICO SIN
DESCARGADOR
3.1.1
Generalidades
Las características fundamentales de los pararrayos de óxido metálico son la tensión de
régimen permanente, la tensión nominal, la corriente nominal de descarga y las tensiones
residuales a la corriente nominal de descarga, a la corriente de impulso tipo maniobra a la
corriente de frente escarpado.
A una tensión de régimen permanente y una tensión nominal dadas corresponden varios tipos
de pararrayos y, por consiguiente, varios niveles de protección.
Otras características que se deben tener en cuenta para una utilización particular son la clase
de descarga de línea, la clase de aliviador de presión, la resistencia bajo contaminación, la
aptitud para la limpieza bajo tensión y las propiedades mecánicas específicas.
14
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
3.1.2
NTC 4616 (Primera actualización)
Tensión de régimen permanente
La tensión de régimen permanente corresponde al valor admisible máximo de una tensión a
frecuencia industrial sinusoidal, que se puede aplicar de manera permanente entre los
terminales del pararrayos.
La tensión de régimen permanente del pararrayos completo puede ser menos elevada, por
unidad, que la utilizada para el ensayo de funcionamiento, el procedimiento de envejecimiento
y la verificación de la estabilidad térmica. Esta tensión se puede adaptar entonces a las
características de resistencia de la cubierta del pararrayos bajo contaminación; ella puede
también tener en cuenta la gran no linealidad en la repartición de la tensión a lo largo de la
columna de varistores, a causa del efecto de la proximidad de otros objetos cuya presencia
hace menos eficaz el dispositivo de fijación de los potenciales intermedios.
3.1.3
Tensión nominal
La tensión nominal corresponde al valor máximo de la tensión a frecuencia industrial aplicada
durante 10 s en el curso del ensayo de funcionamiento (véase el numeral 2.8 de la
NTC 4389 (IEC 99-4). Además, ella sirve de parámetro de referencia en la determinación de la
característica de resistencia del pararrayos bajo tensión a frecuencia industrial en función del
tiempo y para la definición de los requisitos para el ensayo de descarga de línea.
3.1.4
Corriente nominal de descarga
La corriente nominal de descarga se utiliza en la clasificación de los pararrayos. Es el
parámetro principal para las características de protección y la capacidad de absorción de
energía del pararrayos.
3.1.5
Nivel de protección
El nivel de protección al impulso tipo rayo de un pararrayos es el valor máximo de la tensión
residual a la corriente nominal de descarga. Esto se aplica a la protección de los equipos contra
las sobretensiones de frente rápido.
El nivel de protección al impulso tipo maniobra es el valor máximo de la tensión residual a las
corrientes de impulso tipo maniobra especificadas. Esto se aplica a el apantallamiento de los
equipos contra las sobretensiones de frente lento.
Respecto a la eficacia de el apantallamiento de los pararrayos de óxido metálico contra las
sobretensiones de frente rápido, es necesario tener en cuenta el tiempo de retardo en el
mecanismo de conducción de los varistores al ser sometidos al ensayo de impulsos de
corriente de frente escarpado [2] *
Nota. En la primera edición de la NTC 4389 (IEC 99-4:), se especificó en forma resumida el procedimiento que permite
determinar confiablemente la tensión residual en el impulso de corriente de frente escarpado. Se está estudiando una
definición más precisa de las condiciones de ensayo; tal definición permitirá tener en cuenta los efectos de inductancia
y del retardo intrínseco debido al equipo.
*
Los números entre paréntesis cuadrados remiten al Anexo C: Bibliografía.
15
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
3.1.6
NTC 4616 (Primera actualización)
Clase de descarga de línea
Número relativo a la capacidad de absorción energética de los pararrayos de 10 kA y 20 kA
para la descarga de líneas de gran longitud. Existen cinco clases, según la NTC 4389 (IEC 99-4),
Tabla 4, para las cuales un número creciente indica una capacidad de absorción de energía
creciente.
En el caso de pararrayos de clase de descarga de línea superior o igual a 2, la corriente de
descarga resultante sirve, en el ensayo de funcionamiento, para verificar la estabilidad térmica
después de la absorción de energía. Ciertos fenómenos que se producen en la red pueden
engendrar en los pararrayos corrientes que tienen formas diferentes; ellos se pueden evaluar
por comparación con la energía y con la corriente de una descarga de línea equivalente.
3.1.7 Clase de aliviador de presión
Es un número relativo a la capacidad de un pararrayos para descargar corrientes por falla
interna, sin explosión violenta de la cubierta. (Véase el numeral 5.11 de la NTC 4389 (IEC 99-4)
y el numeral 8.7 de la NTC 2166 (IEC 99-1).)
3.1.8
Resistencia a la contaminación
Tres aspectos son de interés al considerar la resistencia del pararrayos a la contaminación:
3.1.9
a)
La cubierta del pararrayos debe resistir los esfuerzos de la contaminación sin
descargas disruptivas. Esto se puede verificar de acuerdo con la NTC 3379 (IEC 507)
o se puede ofrecer aseguramiento al respecto mediante un diseño de acuerdo con
la norma IEC 815;
b)
El pararrayos debe resistir el posible aumento de temperatura debido a
modificaciones de la distribución de tensión causada por la acción de la
contaminación sobre la superficie de la cubierta. Conviene tomar en consideración
el nivel de contaminación así como la frecuencia y la amplitud de las
sobretensiones causadas por fallas y a operaciones de recierre en las condiciones
de contaminación. Se están estudiando procedimientos de ensayo adecuados;
c)
El pararrayos debe poder resistir descargas parciales internas, causadas por una
distribución anormal de tensión sobre la cubierta debido a la contaminación, sin
deterioro de los varistores o de los elementos de ensamble internos. Se están
estudiando procedimientos de ensayo adecuados.
Aptitud para la limpieza bajo tensión
Cuando esté prevista la limpieza bajo tensión, es necesario asegurarse de que no habrá
descarga disruptiva en la cubierta del pararrayos y que la elevación de temperatura de los
varistores permanezca dentro de la temperatura máxima especificada. Se deben definir
procedimientos de ensayo adecuados.
16
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
3.2
SELECCIÓN DE PARARRAYOS DE ÓXIDO METÁLICO SIN DESCARGADOR,
CONECTADOS ENTRE FASE Y TIERRA
3.2.1
Tensión de régimen permanente
El requisito básico es que la cresta de la tensión de régimen permanente del pararrayos sea
más elevada que la cresta de la tensión de servicio; ésta última se determina mediante la
tensión a frecuencia industrial correspondiente a la tensión más elevada de la red y mediante
tensiones armónicas eventuales. En las redes usuales, el aumento del valor de cresta de la
tensión debido a los armónicos puede ser tenido en cuenta mediante un factor de seguridad de
1,05 aplicado a la tensión a frecuencia industrial. En general, conviene que la tensión de
régimen permanente sea:
-
en las redes con despeje automático de fallas a tierra, superior o igual al valor de
cresta de la tensión de servicio fase-tierra más elevada dividida por √2
-
en las redes de neutro aislados o puestos a tierra mediante una bobina de
compensación sin despeje automático de fallas a tierra, superior o igual a la
tensión de servicio más elevada.
Nota. Para esas redes, el factor de seguridad de 1,05 se considera como cubierto por la característica de soporte del
pararrayos bajo tensión a frecuencia industrial en función del tiempo y teniendo en cuenta, en esas redes, la duración
limitada de la falla a tierra.
Si la tensión de servicio más elevada en el sitio del pararrayos no se conoce con precisión,
será necesario reemplazar por la tensión más elevada de la red o por la tensión más elevada
para los equipos.
Si el pararrayos se instala más cerca de objetos bajo tensión o puestos a tierra, que lo
recomendado por el fabricante, se debe verificar si la distribución de tensión a lo largo del
pararrayos es suficientemente lineal para la tensión de servicio permanente seleccionada.
3.2.2
Tensión nominal
La tensión nominal del pararrayos se debe seleccionar en función de las sobretensiones
temporales de la red en el lugar del pararrayos, teniendo en cuenta sus amplitudes así como
sus duraciones. El requisito básico es que la tensión a frecuencia industrial en función de la
característica del tiempo del pararrayos sea mayor que la amplitud de la sobretensión temporal
en función a la característica de duración del sistema. Cuando sea pertinente, se debe tomar
en consideración la capacidad de resistencia a la contaminación y la capacidad de limpieza
bajo tensión.
Es recomendable tener siempre en cuenta las siguientes causas de sobretensiones
temporales:
-
Sobretensiones por fallas a tierra
Estas sobretensiones se producen en una gran parte de la red. En el Anexo A se
incluyen directrices para la determinación de las amplitudes de sobretensiones
temporales. La duración de las sobretensiones es igual a la duración de la falla
(hasta su eliminación). En las redes con neutro puesto a tierra, esta duración suele
17
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
ser inferior a 1s. En las redes con neutro puesto a tierra mediante bobina de
compensación con despeje de falla, ella suele ser inferior a 10 s. En las redes
utilizadas sin despeje de falla a tierra, esta duración puede alcanzar varias horas.
-
Pérdidas de carga
Después de haber desconectado las cargas, la tensión se eleva en el lado de la
fuente del interruptor que haya operado. La amplitud de la sobretensión depende
de las características de la carga desconectada y de la potencia de cortocircuito
de la subestación de alimentación. Las amplitudes de sobretensiones temporales
son particularmente elevadas después de una pérdida total de carga al nivel de los
transformadores generadores dependiendo de las condiciones de magnetización y
de sobrevelocidad. La amplitud de las sobretensiones debidas a las pérdidas de
carga no suele ser constante en el lapso de su duración. En el caso de cálculos
precisos, se deben tener en cuenta numerosos parámetros.
Los valores típicos siguientes de tales sobretensiones pueden servir de indicación [1]
-
En caso de pérdida de una carga plena en redes de amplitud moderada, la
sobretensión temporal fase a tierra suele ser inferior a 1,2 p.u. Su duración
depende del funcionamiento del equipo de regulación de la tensión y puede
alcanzar varios minutos.
-
En las redes grandes, en caso de pérdida de carga plena, las sobretensiones fasetierra pueden alcanzar 1,5 p.u., o inclusive más cuando se produzcan efectos
Ferranti o fenómenos de resonancia. Su duración puede ser del orden de algunos
segundos.
-
Para las pérdidas de cargas al nivel de transformador-generador, las amplitudes
de las sobretensiones temporales pueden alcanzar valores que van hasta 1,4 p.u.
para los turbogeneradores y hasta 1,5 p.u para los hidrogeneradores. La duración
es del orden de 3 s.
Cuando se conozca la evolución de la amplitud en función del tiempo, la sobretensión se puede
representar en forma conveniente mediante la amplitud máxima y una duración igual al tiempo
durante el cual las amplitudes sean superiores al 90 % de este valor.
En ciertas redes, es necesario considerar las causas de las sobretensiones temporales
siguientes:
-
efectos de resonancia, por ejemplo, durante la carga de líneas largas
descargadas, o resonancias entre redes.
-
elevación de tensión a lo largo de líneas de gran longitud (efecto Ferranti).
-
sobretensiones armónicas, por ejemplo, durante maniobras de transformadores.
18
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
-
NTC 4616 (Primera actualización)
transmisión de una sobretensión entre los devanados de un transformador, por
ejemplo en el caso de una subestación de transformador dual con un juego de
barras secundarias comunes durante el despeje de fallas o la maniobra
monofásica de un transformador trifásico con una carga desequilibrada en el
secundario.
Es recomendable no basar la selección de pararrayos en sobretensiones temporales debidas a
ferrorresonancias, pero evitar la aparición de tales sobretensiones.
Las secuencias de causas de sobretensiones temporales, por ejemplo las pérdidas de carga
causadas por una falla a tierra, deben ser tomadas en consideración cuando las dos
sobretensiones sean de severidad análoga. Sin embargo, en tales casos, la carga perdida
depende de la localización de la falla, y se debe estudiar con atención la localización del
pararrayos.
La combinación de causas tales como las fallas a tierra y una pérdida de carga pueden dar
lugar a valores de sobretensiones temporales más elevadas que en el caso de eventos
simples. Cuando se considere que tales combinaciones son suficientemente probables, se
deben combinar los factores de sobretensiones de cada una de las causas, teniendo en cuenta
la configuración de la red existente.
Cuando se ha establecido la característica “amplitud de la sobretensión temporal en función del
tiempo”, se debe seleccionar una característica “tensión a frecuencia industrial en función del
tiempo” que sea superior. Como una aproximación, la amplitud y la duración de las
sobretensiones temporales, cuya duración esté comprendida entre 0,1 s y 100 s, se pueden
convertir en una amplitud equivalente, Ueq, de una duración de 10 s (correspondiente a la
duración de la tensión nominal en el ensayo de funcionamiento):
T 
U eq = U t  t 
 10 
m
( 1)
Donde:
Ut
es la amplitud de la sobretensión temporal.
Tt
es la duración de la sobretensión temporal en s.
Ueq
es la amplitud de la sobretensión temporal equivalente de 10 s.
m
es el exponente que describe la característica de tensión a frecuencia industrial
en función de la característica de tiempo del pararrayos. Para los diferentes
diseños del pararrayos, el exponente varía entre 0,022 y 0,018; se puede usar un
valor promedio de 0,02.
La tensión nominal del pararrayos debe ser superior o igual a la sobretensión temporal
equivalente más elevada que se haya obtenido.
19
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Notas:
1)
Para ciertas utilizaciones, se aplica un margen de seguridad entre la sobretensión temporal equivalente
máxima y la tensión nominal con el propósito de cubrir imprecisiones eventuales en el cálculo de la
sobretensión. Los valores habituales de estos márgenes están entre 5 % y 15 %
2)
Cuando se deseen niveles de protección menos elevados que los de los pararrayos elegidos, se pueden
seleccionar tensiones nominales inferiores a las sobretensiones temporales equivalentes de duración de 10 s,
siempre que el pararrayos tenga capacidad de absorber la energía debida a los eventos propios de la red. En
este caso, conviene efectuar cálculos de absorción de energía que simulen los eventos del sistema. Además
de representaciones cuidadosas del sistema, conviene tomar en consideración la dispersión de producción de
la característica tensión-corriente del pararrayos.
3)
En ciertos casos, la tensión nominal del pararrayos se puede seleccionar teniendo en cuenta la capacidad de
absorción de energía durante la descarga de la línea de transmisión, de acuerdo con un mayor nivel de
protección del pararrayos.
3.2.3
Corriente nominal de descarga y clase de descarga de línea
3.2.3.1 Generalidades. En la NTC 4389 (IEC 99-4) la capacidad de absorción de energía del
pararrayos está ligada a la corriente nominal de descarga. Si el valor de corriente de gran
amplitud no se selecciona en la Tabla 6 de la NTC 4389 (IEC 99-4) (como esto se autoriza
según la Nota 1 relativa a esa tabla), la capacidad de absorción de energía del pararrayos
depende de la corriente nominal de descarga y de la corriente de gran amplitud. Además, la
absorción de energía del pararrayos debida a un esfuerzo de sobretensión transitoria de la red,
depende de la característica “tensión residual corriente” del pararrayos y por consiguiente de la
corriente nominal de descarga. En consecuencia, es necesario seguir un método interactivo
para determinar la corriente nominal de descarga y de la clase de descarga de línea.
3.2.3.2 Corriente nominal de descarga. La corriente nominal de descarga se selecciona en
función de la corriente de descarga del rayo que atraviesa el pararrayos para lo cual se busca
la protección del equipo. Se aplican las mismas consideraciones que en el caso del pararrayos
con descargadores mencionados en el numeral 2.2.2. Los valores siguientes generalmente son
válidos según la corriente de descarga de rayo prevista.
Rango I: (Por encima de 1 kV hasta 245 kV): 5 kA o 10 kA
En las redes del rango I de la NTC 3328 (IEC 71-1) en las cuales las longitudes de las líneas
que separan los pararrayos son cortas (inferiores a 5 km.), los pararrayos cercanos a
transformadores de distribución se consideran suficientemente confiables con una corriente
nominal de descarga de 5 kA aunque los transformadores estén conectados a líneas sobre
postes en madera con crucetas no puestas a tierra.
Para las redes cuya tensión sea inferior o igual a 72,5 kV, los pararrayos que tengan una
corriente nominal de descarga de 5 kA pueden ser suficientes en las regiones de baja densidad
de descargas de rayos cuando las líneas aéreas de llegada estén eficazmente apantalladas y
en que la impedancia de puesta a tierra de las torres sea baja. Los pararrayos cuya corriente
nominal de descarga sea de 10 kA pueden ser preferibles para las instalaciones importantes
(necesidad de la mejor protección) particularmente en regiones que tengan una densidad
elevada de descargas de rayo y en donde el suelo presente una alta resistencia.
En las redes de tensión más elevadas superiores a 72,5 kV, generalmente es recomendable
utilizar pararrayos de corriente nominal de descarga de 10 kA.
Rango II (Por encima de 245 kV): 10 kA o 20 kA
20
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Los pararrayos cuya corriente nominal de descarga sea de 10 kA suelen ser suficientes para
las redes cuya tensión más elevada sea inferior o igual a 420 kV.
En el caso de redes cuya tensión más elevada es superior a 420 kV, puede ser necesario
utilizar pararrayos de 20 kA.
3.2.3.3 Capacidad de absorción de energía. Los pararrayos de óxido metálico deben poder
absorber la energía debida a sobretensiones transitorias en la red. Las sobretensiones
transitorias severas son aquellas que provienen de:
-
Cierre o recierre de líneas de gran longitud.
-
Desconexión de banco de condensadores o cable con reencendido en los
interruptores.
-
Descargas atmosféricas sobre los conductores de líneas aéreas con alto nivel de
aislamiento o flameos inversos cerca de la localización del pararrayos.
Es posible evaluar la energía que debe absorber el pararrayos si se conocen los niveles de
protección de este último utilizando las fórmulas siguientes: (3, 4)
-
Cierre y recierre de líneas
(
W = 2U ps U e − U ps
) TZw
( 2)
Donde:
W
=
es la energía absorbida.
Ups
=
es el nivel de protección frente al impulso tipo maniobra del pararrayos.
Ue
=
es la amplitud de la sobretensión evaluada, por ejemplo según la
NTC 3389 (IEC 71-2).
Z
=
es la impedancia de onda de la línea.
Tw
=
es el tiempo de propagación a lo largo de la línea igual a la longitud
dividida por la velocidad de propagación de onda en la línea.
-
Maniobra de condensador o de cable
W =
1 
C (3U o )2 −
2 
21
( 2 Ur )2 
(3)
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Donde:
C
=
es la capacitancia del banco de condensadores o del cable
Uo
=
es la cresta de tensión de servicio entre fase y tierra
Ur
=
es la tensión nominal del pararrayos (valor eficaz).
La energía puede ser repartida entre varios pararrayos sobre la misma fase. Es conveniente
estudiar como se efectúa esta repartición.
-
Descarga atmosférica
[
)]U plZTl
(
W = 2U f − NU pl 1 + ln ( 2U f / U pl )
( 4)
Donde:
In
=
es el logaritmo neperiano
Upl
=
es el nivel de protección al impulso tipo rayo del pararrayos
Uf
=
es la tensión de flameo en polaridad negativa del aislamiento de la línea
Z
=
es la impedancia de onda de la línea
N
=
es el número de líneas conectadas al pararrayos
Tl
=
es la duración equivalente de la corriente de descarga atmosférica
comprendida entre la primera descarga y las descargas posteriores. Valor
típico: 3. 10-4 s.
Si las distancias entre subestaciones en las redes de distribución son cortas, la energía puede
estar dividida a causa de la repartición de corriente.
Nota. La fórmula proviene de la integración de una sobretensión que decrece exponencialmente.
En ciertos casos, hechos distintos de los mencionados pueden dar como resultado una
absorción de energía enorme por el pararrayos sin descargador. Un ejemplo típico es la
operación de fusibles limitadores de corrientes en aplicaciones poco habituales, por ejemplo si
la tensión nominal del fusible es más elevada de la necesaria para la aplicación considerada o
si se instalan pararrayos que tengan niveles de protección más bajos.
En el ensayo de funcionamiento (numeral 7.5 de la NTC 4389 IEC 99-4) el pararrayos debe
absorber la energía siguiente antes de la aplicación de la tensión nominal:
-
Pararrayos de 5 kA y de 10 kA de la clase de descarga de línea 1
22
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Estos pararrayos se someten a un ensayo de funcionamiento con un impulso de corriente de
gran amplitud. La energía producida por el impulso de corriente de gran amplitud se puede
evaluar mediante (3):
W = Ua lT
( 5)
Donde:
Ua
=
es la tensión residual a este impulso de corriente de gran amplitud. Si
este valor no se conoce, se puede evaluar a 1,5 veces la tensión residual
a la corriente nominal de descarga
I
=
es la amplitud del impulso de corriente de gran amplitud especificado
T
=
es el tiempo efectivo del impulso de corriente de gran amplitud = 6,5 µs.
-
Pararrayos de 10 kA de clase de descarga de línea superior o igual a 2, y
pararrayos de 20 kA
Estos pararrayos se someten a un ensayo de funcionamiento a las sobretensiones de
maniobra. La energía absorbida mediante el impulso se da en el Anexo E de la NTC 4389
(IEC 99-4). La capacidad de absorción de energía de los pararrayos es igual o más grande que
dos veces este valor.
Para una determinación más exacta de la absorción de energía se deben emprender estudios
numéricos detallados tomando en consideración todos los parámetros de las sobretensiones.
Si la absorción de energía necesaria en servicio es más elevada que la capacidad de absorción
de energía del pararrayos seleccionado que se verifica durante el ensayo de funcionamiento,
conviene seleccionar una corriente nominal de descarga, una clase de descarga de línea o una
corriente de gran amplitud más elevada. También se puede aumentar la tensión nominal del
pararrayos siempre que se mantengan los niveles de protección adecuados.
3.2.4
Clase de aliviador de presión
En caso de falla interna de un pararrayos conviene que la corriente de falla que lo atraviesa no
cauce una destrucción violenta de su cubierta. En consecuencia se recomienda que la corriente
de falla que debe soportar el pararrayos sea superior o igual a la corriente de falla máxima que
atraviesa el pararrayos en el lugar en donde esté instalado.
Si se requieren valores más elevados que los que se dan en la Tabla 7 de la NTC 2166 (IEC 99-1)
y el numeral 5.11 de la NTC 4389 (IEC 99-4), conviene que el usuario consulte con el fabricante.
SECCIÓN 4: UTILIZACIÓN DE PARARRAYOS
4.1
PRINCIPIO DE LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOS
El principio de la coordinación de aislamientos según la NTC 3328 (IEC 71-1) y la 3389 (IEC 71-2)
requiere la determinación de tensiones nominales no disruptivas en 4 etapas:
23
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
4.2
NTC 4616 (Primera actualización)
a)
Sobretensión representativa en el lugar del equipo.
b)
Tensión no disruptiva de coordinación del equipo durante su vida útil.
c)
Tensión no disruptiva especificada del equipo en las condiciones de ensayo
normales. Esto puede diferir de la tensión no disruptiva de coordinación debido al
envejecimiento del aislamiento por la dispersión de la producción o del ensamble.
Estas diferencias se compensan mediante un factor de seguridad de 1,15. Para
una instalación en altura hasta 1000 m, este factor comprende también las
correcciones atmosféricas necesarias para el aislamiento externo.
d)
Tensión no disruptiva nominal. Este toma en consideración la posibilidad de una
diferencia de las formas de onda de tensiones especificadas y nominales y
comprende la selección de valores en tablas de tensiones de no disruptivas
normalizadas.
PROTECCIÓN CONTRA LAS SOBRETENSIONES DE FRENTE LENTO
La protección contra las sobretensiones de frente lento es muy importante en el rango II. En el
rango I el nivel de aislamiento nominal del equipo es habitualmente tan alto que la protección
contra las sobretensiones de frente lento no suele ser necesaria (hay una excepción para las
máquinas rotatorias, véase el numeral 5.3).
La sobretensión representativa en el lugar de localización del equipo protegido por pararrayos
es igual al nivel de protección al impulso tipo maniobra, puesto que salvo para las líneas de
transporte, los efectos de la propagación de las ondas se pueden despreciar y las tensiones en
los terminales del equipo y del pararrayos son idénticas.
Los pararrayos de óxido metálico sin descargador son apropiados para la protección contra las
sobretensiones de frente lento en las redes sometidas a bajas sobretensiones temporales,
mientras que los pararrayos con descargadores sólo operan ante las sobretensiones de frente
lento si los descargadores serie han operado. De manera general, se puede estimar que con
los pararrayos de óxido metálico sin descargador, es posible limitar las amplitudes de
sobretensiones de fase a tierra (valor de cresta) hasta aproximadamente dos veces la tensión
nominal del pararrayos (valor eficaz). El nivel de protección de los pararrayos con
descargadores sobrepasa notablemente este valor.
Esto significa que los pararrayos de óxido metálico son apropiados para limitar las
sobretensiones de frente lento debidas a la energización y a la re-energización de las líneas,
así como a la maniobra de corrientes inductivas y capacitivas, pero en general no para las
sobretensiones causadas por fallas a tierra y al despeje de las fallas considerando que las
amplitudes previsibles de estas últimas son demasiado bajas.
Las sobretensiones causadas por la energización y la re-energización de las líneas, producen
corrientes de una amplitud del orden de 0,5 kA a 2 kA que atraviesan los pararrayos. En este
rango de corriente el conocimiento de la amplitud exacta de la corriente no es esencial debido a
la no linealidad extrema del óxido metálico. La influencia de los tiempos de frente de corriente
es también despreciable para las sobretensiones de frente lento. Además se puede no tomar
en consideración los efectos de distancia de separación en el interior de las subestaciones, sin
embargo, el aislamiento de las líneas aéreas distantes puede recibir sobretensiones de un nivel
mucho más elevado que el nivel de protección.
24
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Los pararrayos generalmente se instalan entre fase y tierra y si se utilizan pararrayos de óxido
metálico a fin de limitar las sobretensiones de frente lento a un nivel poco elevado, las
sobretensiones fase a fase alcanzarán aproximadamente dos veces el nivel de protección del
pararrayos colocado entre fase y tierra cualquiera que sea el estado del neutro del
transformador. La sobretensión fase - fase incluirá dos componentes fase - tierra con una
repartición más frecuente de 1:1. Si se requieren niveles de aislamiento entre fases menos
elevados, es necesario instalar pararrayos adicionales entre fases.
El valor máximo supuesto de la sobretensión fase - tierra representativo es igual al nivel de
protección del pararrayos. Para las sobretensiones fase - fase ella puede llegar a dos veces
ese valor sin pararrayos fase - fase.
En el caso de la protección por pararrayos contra las sobretensiones de maniobra, se produce
un fuerte sesgo en la distribución estadística de las sobretensiones. Este sesgo en la
distribución estadística es tanto más pronunciado cuanto menor sea el nivel de protección en
comparación con las amplitudes de las sobretensiones de frente lento previsibles. En estas
situaciones las pequeñas variaciones de aislamiento tienen un gran impacto sobre el riesgo de
falla [2]. Para cubrir este efecto, se propone determinar el factor de coordinación deterministico
que depende de la relación entre el nivel de protección del pararrayos y el valor al 2 % de las
sobretensiones previsibles.
U ps
Ue2
≤ 0 ,7
0 ,7 <
U ps
1,2 <
U ps
Ue 2
≤ 1,2
Ue2
:
K cd = 1,1
:
K cd = 1,24 − 0 ,2
:
K cd = 1,0
(6 )
U ps
Ue2
(7 )
(8 )
y la tensión no disruptiva de coordinación a los impulsos tipo maniobra se expresa como
U cw = K cd . U ps
(9)
Donde:
Ups
=
es el nivel de protección a los impulsos de maniobra del pararrayos.
Ue2
=
es el valor al 2 % de la amplitud de la sobretensión de frente lento
previsible entre fase y tierra.
Ucw=
=
es la tensión no disruptiva de coordinación del equipo a los impulsos tipo
maniobra.
Kcd
=
es el factor de coordinación determinístico.
25
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Nota. El factor de 1.0 a 1.1 toma en consideración la gran probabilidad de tener sobretensiones cuyas amplitudes sean
iguales al nivel de protección debido al hecho del truncamiento de la distribución de las sobretensiones por el
pararrayos. Esta probabilidad es tanto más elevada cuanto menor sea el nivel de protección. Teniendo en cuenta las
incertidumbres relacionadas con la resistencia del equipo, en caso de probabilidad más fuerte de las sobretensiones,
será necesario aumentar el margen entre la tensión no disruptiva y el nivel de protección a fin de mantener un grado de
riesgo dado [2].
4.3
PROTECCIÓN CONTRA LA SOBRETENSIÓN DE RAYOS
4.3.1
Generalidades
Debido a la alta tasa de aumento de las sobretensiones de rayo, no se pueden pasar por alto
los efectos de la propagación de ondas entre el pararrayos y el equipo. De manera general, la
tensión en los terminales del equipo protegido es más elevada que la tensión residual del
pararrayos (véase el numeral 4.3.2). Es por consiguiente siempre conveniente reducir al
mínimo la longitud de las conexiones entre el pararrayos y los equipos importantes. Sin
embargo a veces es posible proteger más de un equipo con una sola instalación de pararrayos
siempre que sea posible limitar las tasas de aumento como en el caso en que a la vez la
subestación y las líneas aéreas que la alimentan estén apantalladas en forma efectiva.
El apantallamiento de la línea y de la subestación es un factor importante en la localización de
los pararrayos en el interior de una subestación. Generalmente es posible proteger una
subestación inclusive si las líneas asociadas no están provistas de apantallamiento efectivo. El
apantallamiento de la subestación reduce la probabilidad de aparición de tensiones elevadas y
de frente de onda escarpado al interior de la subestación provenientes de corriente de rayo
elevada. Sin embargo es necesario reconocer que la mayoría de las descargas atmosféricas
golpean las líneas provocando sobretensiones que se propagan sobre las líneas hasta la
subestación. Si las líneas están apantalladas adecuadamente, las sobretensiones que penetran
en la subestación son menos severas que en el caso de líneas sin apantallamiento adecuado.
En consecuencia, la magnitud de las corrientes de rayo es menor dando como resultado menor
tensión residual del rayo y mejor protección del equipo.
Las instalaciones no apantalladas adecuadamente están sometidas a las corrientes de rayo
más elevadas y a tasas de aumento de onda de tensión más altas. Es recomendable reducir lo
más posible la distancia entre los pararrayos y las instalaciones que no estén provistas de un
apantallamiento total.
En el caso de instalaciones apantalladas con llegada de línea aérea sin apantallamiento, el
pararrayos se debe colocar lo más cerca posible de los terminales del equipo a proteger
(generalmente un transformador). Cuando varias entradas de líneas aéreas sin
apantallamiento, se reúnan en la misma subestación la amplitud de las ondas de
sobretensiones incidentes así como su tasa de aumento se limitan por división mientras que su
frecuencia de aparición aumenta. Sin embargo es necesario tomar en consideración el caso en
que una o varias líneas estén fuera de servicio, así como la probabilidad de que ocurran tales
contingencias durante una tormenta. Cuando uno o varios interruptores o seleccionadores se
abran en una subestación tal, las entradas de líneas correspondientes o ciertas partes de la
subestación se pueden encontrar fuera de la protección de los pararrayos colocados al nivel de
los transformadores. La tensión disruptiva del aislamiento de una línea des-energizada no tiene
peligro de causar daños en el aislamiento de esta línea, pero podría suceder que los
aislamientos de otros equipos tales como interruptores, transformadores de tensión y
transformadores de corriente conectados al lado de la línea sufran daños. Si se reconoce que
tales situaciones requieren una protección adicional, se pueden instalar pararrayos en las
entradas respectivas de esas líneas.
26
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Las tensiones incidentes provenientes de líneas provistas de apantallamiento tienen una
amplitud y una tasa de aumento menos fuertes que en el caso de líneas sin apantallamiento.
En muchos casos esto permite una cierta separación entre los pararrayos y el aislamiento por
proteger. En el caso de una línea aérea única con apantallamiento un juego de pararrayos se
puede colocar en un punto que permita la protección de todos los equipos dando sin embargo
preferencia al transformador. El método del numeral 4.3.2 se puede utilizar para determinar la
distancia máxima entre el pararrayos y el transformador.
En las instalaciones con múltiples entradas de líneas aéreas provistas de apantallamiento (y
que comprenden instalaciones importantes con transformadores, equipos de conmutación y
equipos de medida), los pararrayos no siempre se colocan en los terminales de cada
transformador. Los métodos dados en el numeral 4.3.2 pueden servir para evaluar las
distancias de separación máximas. Las instalaciones más importantes pueden justificar un
estudio detallado de fenómenos transitorios. Tales estudios y la interpretación de sus
resultados están más allá del alcance de esta norma.
Hay dos soluciones para la utilización de pararrayos destinados a la protección de equipos
contra las sobretensiones de rayo:
-
Determinar la tensión no disruptiva de coordinación al impulso tipo rayo para un
nivel de protección del pararrayos y una distancia de separación dadas. Se
obtiene entonces la tensión no disruptiva nominal al impulso tipo rayo
multiplicando el valor obtenido por el factor de 1,15 (véase el numeral 4.1).
-
Determinar la zona de protección del pararrayos que es igual a la distancia de
separación máxima, para la cual se cumplen los requisitos de la coordinación de
los aislamientos, para un nivel de protección del pararrayos y una tensión no
disruptiva de coordinación dadas. Esta última se obtiene dividiendo la tensión no
disruptiva nominal al impulso tipo rayo del equipo por 1,15 (véase el numeral 4.1).
En principio, estas dos soluciones requieren la determinación de la forma real de la
sobretensión en la localización del equipo protegido y la tensión no disruptiva de este último
asociada con esa forma. Una simplificación suficiente adecuada consiste en suponer que este
requisito se cumple bajo las siguientes condiciones:
-
Para los pararrayos con descargadores:
La tensión no disruptiva en el impulso sobre el frente de onda se compara con la
tensión no disruptiva al impulso recortado tipo rayo del equipo
y/o
La tensión no disruptiva en el impulso tipo rayo y la tensión residual a la corriente
nominal de descarga (8/20) se comparan con la tensión no disruptiva al impulso
tipo rayo del equipo.
En lo relacionado con los transformadores aislados con papel impregnado de
aceite las dos soluciones dan aproximadamente el mismo resultado. Además para
los transformadores grandes la capacidad de entrada disminuye la tasa de
aumento de la sobretensión. Se puede entonces no tomar en cuenta la descarga
disruptiva en el impulso sobre el frente de onda.
27
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Si el equipo colocado al nivel de la entrada de línea de la subestación tiene una
resistencia al impulso recortado tipo rayo que no sobrepasa en más del 15 % la
resistencia en el impulso completo, se puede considerar necesario tener en cuenta
la tensión de descarga disruptiva en el impulso sobre el frente de onda.
Para subestaciones con aislamiento de gas las ondas transmitidas y reflejadas en
la subestación causan una disminución de la tasa de aumento de la sobretensión
produciendo una descarga disruptiva del pararrayos para tensiones inferiores a la
tensión de descarga disruptiva en el impulso sobre el frente de onda. Para
simplificar sin embargo, se pueden despreciar los efectos de una descarga
disruptiva del pararrayos en el impulso sobre el frente de onda o bien efectuar
cálculos de propagación de onda.
-
Para los pararrayos de óxido metálico sin descargador:
Las tensiones residuales a la corriente nominal de descarga y/o al impulso de
corriente de frente de onda escarpado se comparan con la tensión no disruptiva al
impulso tipo rayo del equipo.
Las sobretensiones de rayo representativas contra las cuales se busca protección,
provocan generalmente corrientes que atraviesan el pararrayos cuyos tiempos de
frente de onda son más próximos a 1 µs que a 8 µs. La utilización de la tensión
residual al impulso de corriente de frente de onda escarpado se puede justificar, lo
que resultará entonces en una sobretensión superior en aproximadamente el 5 %
a aquellas que da la utilización de la tensión residual a la corriente nominal de
descarga. Algunos cálculos comparativos han demostrado que este efecto es
similar al efecto de la descarga disruptiva sobre el frente de onda de los
pararrayos de carburo de silicio con descargadores, y se aplican las mismas
consideraciones.
Nota. Para los aislamientos en el aire, estos procedimientos pueden conducir a un resultado
demasiado conservador debido al hecho del retardo de la descarga disruptiva del aislamiento, lo que
generalmente se expresa mediante curvas de tensión-tiempo. Se pueden obtener resultados más
precisos a partir de cálculos de propagación de onda, en los cuales se tenga en cuenta este retardo
de descarga disruptiva. Las mismas consideraciones se aplican a los aislamientos cuyas
características de descarga disruptiva sean conocidas.
4.3.2
Método simplificado para el estudio de la protección contra el rayo
4.3.2.1 Protección de equipos tipo abierto. La experiencia de equipos de subestaciones
existentes ha demostrado que si se toman en cuenta los factores influyentes dados en el
numeral 4.3.1 la tensión no disruptiva de coordinación al impulso tipo rayo, se determina a
partir de la fórmula empírica (10) que toma en consideración las características fundamentales
del comportamiento de las sobretensiones de rayo en la subestación (véase la NTC 3389
(IEC 71-2)).
28
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Figura 2a. Instalaciones sin malla de tierra (redes de distribución)
Figura 2b Instalaciones con malla de tierra (subestaciones)
Figura 2. Diagrama esquemático de la conexión del pararrayos al equipo protegido
Donde:
d
=
es la distancia entre el terminal de alta tensión del equipo a proteger y el
punto de conexión del conductor de alta tensión del pararrayos.
d1
=
es la longitud del conductor de alta tensión del pararrayos.
d2
=
es la longitud del conductor a tierra del pararrayos.
dA
=
es la longitud del pararrayos.
Ze
=
es la impedancia de puesta a tierra.
T
=
es el equipo protegido.
U
=
es la sobretensión incidente.
29
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
U cw = U pl +
A
Lt
x
N
Lsp + L f
( 10 )
Donde:
Lf = Ra / r es la longitud de la porción de línea aérea próxima a la subestación que da la
tasa de rayos igual a la tasa de falla aceptable. La fracción de la derecha multiplicada
por A/N es proporcional al frente de onda escarpado de la tensión incidente
representativa. Obsérvese que en las fórmulas 10, 11 y 12 se deben usar unidades
coherentes.
Ucw
=
es la tensión no disruptiva de coordinación al impulso tipo rayo.
A
=
es la tensión tomada de la Tabla 2 que describe el funcionamiento frente
al rayo de la línea aérea conectada a la subestación.
Upl
=
es el nivel de protección al impulso tipo rayo del pararrayos.
N
=
es el número de líneas conectadas a la subestación (N = 1 o N = 2).
Lt
=
es la longitud total d + d1 + d2 + dA (Véase la Figura 2).
Lsp
=
es la longitud del tramo.
Lf
=
es la longitud de la sección de línea aérea que tiene una tasa de salidas
igual a la tasa de falla aceptable.
Ra
=
es la tasa de falla aceptable (número de fallas por unidad de tiempo) para
el equipo protegido.
r
=
es la tasa de salidas de una línea aérea por año (número de salidas por
unidad de tiempo y de longitud) para un diseño correspondiente al primer
kilómetro en frente de la subestación. Si N = 2, las tasas se tienen que
sumar.
Las tasas de falla aceptables habituales para el equipo protegido, tales como las mencionadas
en la NTC 3389 (IEC 71-2), se sitúan entre 0,1 % por año y 0,4 % por año. En los ejemplos de
la Tabla 3 se utiliza un valor típico de 0,25 % por año.
Para las líneas de distribución las tasas de salida suelen ser grandes en comparación con la
tasa de falla aceptable. Es decir que la longitud de la línea aérea Lf es corta y se puede
despreciar. La fórmula 10 se simplifica entonces como sigue:
U cw = U pl +
A
L
x t
N
Lsp
30
( 11 )
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
En las redes de distribución cuyos equipos no estén protegidos contra las descargas de rayo
directos sobre los conductores o contra flameos inversos, es necesario prestar atención a las
sobretensiones de rayo inducidas (actualmente se están estudiando recomendaciones
específicas en el CIGRE).
Nota. La fórmula 10 describe la caída de tensión en p.u. en función del funcionamiento de rayo de la línea aérea
conectada al equipo de la configuración de la subestación y de la tasa de falla aceptable que ha sido adoptada para el
equipo. Teniendo en cuenta los conocimientos de los funcionamientos de líneas aéreas frente al rayo y de la
atenuación debida al efecto corona se ha determinado la constante A a fin de obtener una adecuación entre las no
disruptiva calculadas con la ayuda de la fórmula 10 y la experiencia de servicio obtenida con zonas de protección
usadas durante largo tiempo (véase la Tabla 3). Es posible que la fórmula no se use para calcular amplitudes de
sobretensión para determinado evento de rayo sobre la línea aérea.
Cuando se ha seleccionado la tensión no disruptiva al impulso tipo rayo del equipo la zona de
protección del pararrayos se puede estimar a partir de la fórmula 12.
Lp =
(

N  U rw 
 − U pl  Lsp + L f

A  1,15 

)
( 12 )
Donde:
Lp
=
es la zona de protección
Urw
=
es la tensión no disruptiva nominal al impulso tipo rayo (véase el numeral
4.1).
La fórmula 12 muestra que, para una subestación dada la zona de protección aumenta con:
-
El incremento de la diferencia entre la tensión no disruptiva nominal y el nivel de
protección.
-
La disminución de la tasa de salidas de la línea aérea próxima a la subestación
demostrándose así el efecto de una mejor protección mediante cables a tierra y
mediante una impedancia reducida al pie de la torre.
-
El incremento de las tasas de falla aceptables, lo cual quiere decir que el equipo
situado fuera de la distancia de protección puede todavía tener protección, pero
con una tasa de falla más elevada.
La Tabla 3 en la cual las zonas de protección indicadas son aquellas que se adoptan de
manera general, da ejemplo de zonas de protección calculadas. Las zonas de protección de
160 m y de 180 m son justificadas por la experiencia de la protección del equipo en la entrada
de la línea por medio de pararrayos colocados al nivel del transformador, cuando un
apantallamiento perfecto se ha realizado cerca de la subestación.
31
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Tabla 2. Factor A en las fórmulas 10 a 12 para diferentes líneas aéreas
A
kV
Líneas de distribución (tensiones disruptivas entre fases)
900
- Con crucetas puestas a tierra (tensiones disruptivas a tierra para bajas
tensiones)
- Línea sobre postes en madera (tensiones disruptivas a tierra para las
tensiones elevadas)
2700
Líneas de transmisión (tensiones disruptivas monofásicas a tierra)
- Un conductor único
- Un haz de dos conductores
- Un haz de cuatro conductores
- Un haz de seis u ocho conductores
4500
7000
11000
17000
Nota. Para las líneas de distribución las tensiones A son menores que para una línea de transmisión de
conductor sencillo puesto que en las líneas de distribución se producen tensiones disruptivas entre
fases o tensiones disruptivas múltiples entre fase y tierra que conducen a una repartición de la
corriente e inclusive a una limitación de la amplitud de onda incidente en el caso de crucetas puestas a
tierra.
Tabla 3. Ejemplo para las zonas de protección calculadas mediante la
fórmula 10 para las subestaciones tipo abierto
Tensión
del
sistema
Nivel
de
protección
kV
kV
Tensión no
disruptiva
Nomi- Coordinal
nación
kV
kV
Zona de Protección Lp
Tramo
A
r = 0.1*
N=2
r = 0,5*
N=1
N=2
r = 2*
N=1
N=2
r = 6*
N=2
m
kV
100
2700
--
--
--
2,4
4,8
3,0
24
80
125
109
200
900
--
--
--
10,4
20,8
15,5
123
350
550
478
300
4500
160
23
46
12,0
24
--
420
900
1425
1239
400
11000 180
28
56
16
32
--
* Dimensiones en 1 por 100 km. y por año
4.3.2.2 Protección de subestaciones aisladas con gas (GIS). En general, las GIS están mejor
protegidas que las subestaciones tipo abierta por el hecho de su impedancia de onda mucho
más elevada que la de las líneas aéreas. No es posible hacer recomendaciones generales
válidas concernientes a la evaluación de mejoramiento obtenido para las GIS en comparación
con las instalaciones tipo abierto. Sin embargo la fórmula indicada anteriormente para las
instalaciones tipo abierto suministra estimaciones prudentes de la tensión no disruptiva de
coordinación al impulso tipo rayo o de la distancia de protección, aunque una disminución de la
constante A a la mitad del valor inscrito en la Tabla 2 también es válida.
Como regla general los pararrayos se deben instalar en la entrada de la línea a fin de proteger
la GIS, inclusive cuando el interruptor esté abierto. Puede ser necesario instalar pararrayos
adicionales al nivel de los transformadores, bien sea cuando las distancias respecto de los
pararrayos situados en las entradas de líneas sean demasiado largas, o cuando se esperen
sobretensiones elevadas al nivel del transformador mientras que los pararrayos de entrada de
32
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
las líneas no estén conectados. Para GIS de gran dimensión pueden ser necesarios pararrayos
adicionales instalados en los sitios adecuados en el interior de las GIS. Una mejor protección
para sobretensiones de frente rápido se obtiene instalando pararrayos de entrada de línea en el
interior de esas subestaciones, lo cual elimina los efectos de derivaciones de conexión del
pararrayos. Aunque este pararrayos sería más costoso que un pararrayos tipo exterior los
pararrayos adicionales pueden ser superfluos y ésta puede ser la solución más económica.
Cuando las distancias de protección indiquen que es necesario instalar pararrayos adicionales
en el interior de la GIS la fórmula de aproximación no debe ser utilizada y entonces es
necesario realizar cálculos de propagación de ondas.
La protección mediante pararrayos contra las sobretensiones de frente muy rápido en el interior
de las GIS generalmente no es posible debido al hecho de las frecuencias demasiado altas
respectivas y por el retardo en el mecanismo de conducción de los pararrayos de óxido
metálico. Los pararrayos con descargadores no funcionarían.
4.3.2.3 Protección de subestaciones conectadas mediante cable. De manera similar a las GIS,
las subestaciones conectadas mediante cable están - para las mismas dimensiones - mejor
protegidas que las subestaciones tipo abierto, pero aquí tampoco es posible hacer
recomendaciones que sean válidas en un caso general.
A fin de proteger la entrada del cable conviene instalar los pararrayos al nivel de la unión aéreo
subterránea. Es posible estimar en forma prudente la distancia de separación como en el caso
de las subestaciones tipo abierto. Los pararrayos son suficientes para la protección de la
subestación cuando más de una línea queda conectada a la subestación mediante cables
subterráneos durante las descargas de rayo. Si existe la probabilidad que los cables
conectados a la subestación tengan los extremos abiertos durante la descarga del rayo y si la
longitud del cable es superior a aproximadamente 5 veces el valor calculado por medio de la
fórmula 12, se recomienda colocar pararrayos adicionales al nivel del extremo abierto. Esto se
aplica igualmente al extremo abierto de cables conectados a una línea aérea a través de una
subestación.
4.3.2.4 Protección de cables. Conviene que los cables que conecten dos líneas aéreas estén
protegidos mediante pararrayos en los dos extremos, si la longitud del cable es superior a cinco
veces el valor calculado mediante la fórmula 12. Conviene que las conexiones del pararrayos
en los extremos del cable sigan esta fórmula.
Para cables de 72,5 kV y más, se recomienda utilizar cables de protección sobre la línea aérea
próxima al cable (aproximadamente 3 vanos), así como puestas a tierra de bajas impedancias
para las torres situadas al nivel de los extremos de los cables.
SECCIÓN 5: PARARRAYOS DESTINADOS A UNA UTILIZACIÓN ESPECIAL
5.1
PARARRAYOS PARA NEUTROS DE TRANSFORMADORES
5.1.1
Generalidades
Una de las aplicaciones especiales más extendidas tiene que ver con la protección de neutros
de transformadores. Conviene que cada neutro aislado de tierra y que pase a través de un buje
esté protegido por un pararrayos contra las sobretensiones de rayo o de maniobra. Puede
sobrevenir un esfuerzo excesivo en el aislamiento del neutro, en caso de propagación de
sobretensiones de rayo polifásicas o de sobretensiones de maniobra resultantes de fallas
asimétricas en las redes de potencia.
33
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Además en las redes puesta a tierra mediante bobinas de compensación, pueden presentarse
sobretensiones de maniobra elevadas en el neutro del transformador y en los terminales del
devanado durante la eliminación de una falla bifásica a tierra y cuando el circuito que queda
conectado a los terminales de línea del transformador tienen una baja capacitancia a tierra.
Conviene que la capacidad de absorción energética de los pararrayos de neutro sea al menos
la misma que la requerida para los pararrayos de fase a tierra, o inclusive superior.
La tensión residual a la corriente de descarga de 1 kA puede servir para determinar el nivel de
protección del pararrayos puesto que no ocurren valores de corrientes elevadas. En el caso de
pararrayos de neutro la relación de protección puede ser mucho más baja debido a la baja tasa
de aumento de la tensión.
5.1.2
Pararrayos para neutros de transformadores plenamente aislados
La protección de neutros de transformadores plenamente aislados se puede obtener gracias a
pararrayos que tengan el mismo nivel de protección que los pararrayos de fase a tierra o un
nivel de protección inferior. Debido al hecho de la menor tensión a frecuencia industrial entre el
neutro y la tierra, la tensión nominal del pararrayos de neutro puede ser seleccionada de menor
valor. Una tensión nominal de al menos el 60 % de la de los pararrayos de fase a tierra es
recomendable.
Generalmente se utilizan dos tipos de pararrayos:
-
Un pararrayos del mismo diseño que los pararrayos de fase a tierra, pero con una
tensión nominal reducida.
-
O un pararrayos especial que tenga niveles de protección reducidos.
Durante condiciones anormales de funcionamiento de la red o durante fallas a tierra
intermitentes pueden presentarse sobretensiones de larga duración y de una amplitud
suficientemente grande para provocar operaciones sucesivas del pararrayos con un daño
consecuente de los pararrayos de fase. En tales casos es útil coordinar los pararrayos de tal
manera que el pararrayos de neutro funcione antes que los pararrayos de fase. Un pararrayos
de neutro de alta potencia podría soportar tal esfuerzo e impedir el daño de los pararrayos de
línea. Se aconseja seleccionar un nivel de protección al impulso tipo maniobra del pararrayos
de neutro de aproximadamente el 45 % del nivel de protección al impulso tipo maniobra de los
pararrayos de línea.
5.1.3
Pararrayos para neutros de transformadores con aislamiento no uniforme
Los transformadores cuya resistencia eléctrica sea decreciente entre los terminales de línea y
el neutro se utilizan generalmente en redes con neutro a tierra. Si el neutro del transformador
no está directamente conectado a tierra para limitar las corrientes de corto circuito es
recomendable protegerlo mediante un pararrayos cuyas características se deben seleccionar
en función de la naturaleza de la red y de la tensión no disruptiva del neutro, siguiendo las
mismas directrices que para los pararrayos de fase a tierra.
5.2
PARARRAYOS ENTRE FASES
Pueden presentarse sobretensiones entre fases bastante considerables durante la interrupción
de corriente en una bobina de inductancia o en un transformador cargado por una inductancia.
34
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Las tensiones no disruptivas de la bobina de inductancia o del aislamiento entre fases de
transformadores pueden ser sobrepasadas sin que haya funcionamiento de los pararrayos de
fase a tierra, si tales maniobras son previsibles es necesario instalar pararrayos entre fases
además de los pararrayos de fase a tierra. Conviene que los pararrayos entre fases tengan una
tensión de servicio permanente igual o superior a 1,05 veces la tensión más elevada de la red.
En el caso de pararrayos de óxido metálico ese valor cubre las sobretensiones temporales
hasta 1,25 veces la tensión más elevada de la red. Un valor de la tensión nominal se debe
especificar para las sobretensiones temporales más elevadas. Para los pararrayos con
descargadores es necesario seleccionar un valor de tensión nominal a fin de tomar en
consideración sobretensiones temporales.
En el caso de transformadores que tengan un devanado de baja tensión en delta, podría ser
necesario instalar pararrayos entre fases sobre ese devanado a fin de limitar las
sobretensiones transmitidas inductivamente. Estos pararrayos pueden igualmente proteger el
lado de alta tensión del transformador mediante la absorción de energía magnética que es
liberada durante la interrupción de corriente al poner fuera de servicio el transformador.
Los transformadores de hornos pueden requerir ser protegidos mediante pararrayos entre
fases además de los pararrayos entre fase y tierra. Estos pararrayos son sometidos a
exigencias particulares y conviene definir sus características.
5.3
PARARRAYOS PARA MÁQUINAS ROTATORIAS
Aunque no se han establecido recomendaciones para la coordinación del aislamiento de
máquinas rotatorias, se utilizan pararrayos para proteger generadores y motores contra las
sobretensiones.
A menudo se utilizan pararrayos especiales cuyas características se deben fijar por acuerdo
entre el fabricante y el usuario. Conviene en particular examinar las características del aliviador
de presión de los pararrayos para generadores cuyas corrientes de corto circuito puedan ser
notablemente superiores a las indicadas en la NTC 2166 (IEC 99-1) o en la NTC 4389 (IEC 994).
Para las máquinas conectadas a líneas aéreas bien sea directamente o por medio de cortas
longitudes de cables es recomendable instalar también lo más cerca posible de los terminales
de la máquina, entre fase y tierra, a la vez condensadores (0,1 µF a 0,3 µF) para extender el
frente de sobretensión hasta aproximadamente 10 µs o más, y pararrayos para asegurar una
protección adicional. También es posible instalar igualmente un segundo juego de pararrayos
sobre la línea aérea antes de la máquina, o en el punto de unión entre la línea y el cable.
Nota. Además de la limitación de las sobretensiones que entran en la subestación de la máquina, los pararrayos
instalados sobre la línea tienen por efecto disminuir la corriente de descarga a través de los pararrayos instalados al
nivel de la máquina. Las tensiones residuales más bajas que resultan de esto para los pararrayos instalados al nivel de
la máquina aumentan la protección de esta última.
Las características de los pararrayos se eligen según las secciones 2 y 3, y la capacidad de
soporte al impulso del aislamiento o el valor recomendado por el fabricante se compara con el
nivel de protección del pararrayos. En general, solo se puede alcanzar un bajo margen entre
los niveles de protección y las tensiones no disruptivas.
Las máquinas conectadas a líneas aéreas por intermedio de transformadores es posible que no
requieran una protección mediante pararrayos además de la protección del transformador, si la
máquina se conecta mediante cables de longitud suficientemente larga o si se instalan
35
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
condensadores a los valores indicados antes. Si se instala un interruptor entre el transformador
y la máquina rotatoria, los condensadores se deben colocar en los terminales del devanado del
transformador conectados al generador.
En el caso de máquinas conectadas a transformadores de estrella triángulo, se puede obtener
una mejor protección instalando pararrayos adicionales entre fases. Los pararrayos instalados
en los terminales de la máquina o en los terminales del transformador al lado de la máquina no
están sometidos a corrientes de rayo elevadas. Es entonces posible obtener niveles de
protección bajos con tensiones de descargas disruptivas poco elevadas (en el caso de
pararrayos con descargadores) y bajas tensiones residuales para corrientes de descargas de
500 A o menos.
Los pararrayos no se deben instalar entre fases en el caso de grandes turbogeneradores que
tengan bajas impedancias de onda y barrajes monofásicos aislados, para las cuales se deben
evitar los cortos circuitos entre fases. Los pararrayos colocados al lado de alta tensión del
transformador deben poder suministrar una protección suficiente.
5.4
OTRAS UTILIZACIONES PARTICULARES DE LOS PARARRAYOS
La selección e instalación de pararrayos destinados a proteger los aparatos siguientes deben
ser adaptadas a los requisitos particulares del equipo, determinadas por el usuario y el
fabricante de los aparatos que se van a proteger:
5.5
-
Conviene poner a tierra las pantallas de cables en ambos terminales. Si esto no es
posible para los cables monofásicos debido al hecho de la reducción de su
capacidad de corriente es recomendable que el terminal de la pantalla del cable no
puesto a tierra se proteja mediante pararrayos. Conviene que la tensión nominal
de estos pararrayos sea superior a la tensión inducida entre la pantalla y la tierra
para la corriente de falla máxima. Esto cubre la tensión de servicio permanente
requerida. Conviene que la corriente nominal de descarga sea idéntica a la de los
pararrayos de fase a tierra al nivel de los extremos de los cables. Es
recomendable que el nivel de protección sea tan bajo como sea posible, puesto
que la resistencia de la pantalla durante su vida útil no está bien definida ni está
garantizada mediante algún ensayo normalizado.
-
Transformadores especiales, por ejemplo devanados
autotransformadores y transformadores de convertidores.
-
Elementos reactivos en serie, por ejemplo bobinas de inductancia de limitación de
corriente, bobinas de alta frecuencia y condensadores en serie.
Circuitos resonantes.
-
Redes de tracción en corriente alterna.
-
Líneas aéreas.
en
serie
de
PARARRAYOS PARA CONDICIONES DE SERVICIO ANORMALES
Para las condiciones de servicio anormales indicadas en el anexo A de la NTC 2166 (IEC 99-1)
o en el anexo A de la NTC 4389 (IEC 99-4), se requieren medidas especiales en el diseño y en
la utilización de pararrayos y conviene señalar estas condiciones al fabricante.
36
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Entre esas condiciones particulares se debe notar por ejemplo:
Las altitudes que superen 1000 m
-
Las temperaturas que estén fuera del rango de -40 °C a 40 °C
-
La limpieza bajo tensión de los pararrayos
-
Los vientos que soplen a una velocidad elevada
-
Los temblores de tierra
-
Las distancias reducidas en las superficies conductoras vecinas.
SECCIÓN 6: INDICADORES DE DIAGNÓSTICO DE PARARRAYOS
DE ÓXIDO METÁLICO EN SERVICIO
6.1
GENERALIDADES
Aparte de las raras ocasiones en las cuales un pararrayos funciona como dispositivo para
limitar una sobretensión, se espera que funcione como aislador. Estas propiedades aislantes
son esenciales para la duración de la vida del pararrayos y para la confiabilidad de la operación
del sistema eléctrico.
Desde la introducción de los pararrayos se han utilizado varios métodos de diagnóstico e
indicadores para revelar el posible deterioro o falla de las propiedades aislantes. Los métodos
de diagnóstico varían desde indicadores de falla y desconectadores para indicar fallas totales
del pararrayos, hasta instrumentos capaces de medir leves cambios de corriente de fuga
resistiva o pérdida de energía de los pararrayos de óxido metálico.
El propósito de esta sección es proporcionar una guía al usuario si se considera la utilización
de un método de diagnóstico y presentar una visión general de los métodos comunes de
diagnóstico. También proporciona información detallada sobre medidas de corriente de fuga en
los pararrayos de óxido metálico.
Notas:
1.
Los dispositivos de diagnóstico se deben diseñar y manejar de tal manera que exista seguridad al personal
al tomar las medidas. Los dispositivos instalados permanentemente deben estar diseñados e instalados
teniendo en cuenta las exigencias de servicio y las corrientes de falla.
2.
Para varios métodos de diagnóstico se requieren una terminal aislada a tierra en el pararrayos. La terminal
a tierra debe tener un nivel de tensión no disruptiva suficientemente alta para contabilizar la caída de
tensión inductiva que se presenta entre la terminal y la estructura aterrizada durante una descarga por
impulso.
6.1.1 Indicadores de falla
Los indicadores de falla dan una clara indicación visual de falla de un pararrayos, sin
desconectar el pararrayos de la línea. El dispositivo puede ser parte integral del pararrayos, o
una unidad aparte, instalada en serie con el pararrayos. El principio de funcionamiento se basa,
usualmente, en la amplitud y duración de la corriente del pararrayos, o en la temperatura de los
resistores no lineales de óxido metálico.
37
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6.1.2 Desconectadores
Los desconectadores, que se usan con frecuencia en los pararrayos de media tensión, dan una
indicación de falla del pararrayos desconectándolo del sistema. El principio típico de
funcionamiento es un dispositivo explosivo disparado automáticamente por la corriente de falla,
sin embargo, el desconectador no está diseñado para extinguir la corriente de falla. El
desconectador puede formar parte integral del pararrayos o de la abrazadera aislante, o puede
ser una unidad aparte, instalada en serie con el pararrayos. La ventaja del dispositivo es que la
línea sigue funcionando después de estar desconectada del pararrayos. La mayor desventaja
es la falta de protección contra la sobretensión hasta cuando se descubre la falla del
pararrayos y éste se reemplaza.
6.1.3 Contadores de descargas
Los contadores de descargas funcionan con corrientes de impulso superiores a cierta amplitud,
o superiores a cierta combinación de amplitud y duración de la corriente. Si el intervalo entre
descargas es muy corto (menos de 50 ms), es posible que los contadores de descargas no
cuenten cada impulso de corriente. Algunos contadores requieren corriente de descarga
prolongada y es posible que no cuenten las corrientes de impulso de corta duración a través de
los pararrayos de óxido metálico.
Dependiendo del principio operativo y de la sensibilidad del contador, éste puede indicar las
sobretensiones que se presenten en el sistema, o puede dar información sobre la cantidad de
descargas que correspondan a una exigencia energética significativa del pararrayos. El
contador no proporciona información específica sobre el estado del pararrayos.
Por razones de seguridad, el contador de descargas deberá estar instalado fuera del acceso
fácil del personal. Deberá estar situado donde se pueda alcanzar desde el piso, cuando el
pararrayos esté funcionando. La instalación se hará sin alargar demasiado la conexión a tierra
y sin reducir su sección transversal. El pararrayos deberá estar equipado con una terminal de
tierra aislada y un conductor entre el pararrayos y el contador aislado de tierra.
6.1.4 Dispositivo de supervisión de chispas
El dispositivo de supervisión de chispas se usa para indicar la cantidad y estimar la amplitud y
duración de las corrientes de descargas a través del pararrayos. Es necesaria una experiencia
especial para interpretar correctamente las huellas presentadas sobre el dispositivo. Es posible
examinar algunos dispositivos con el pararrayos en servicio, pero otras clases requieren que se
desenergice el mismo. Se requiere que el pararrayos esté equipado con una terminal de tierra
aislado. Como alternativa, el dispositivo puede formar parte integral del pararrayos. El
dispositivo no da información directa sobre el estado real del pararrayos, sin embargo puede
ayudar a tomar decisiones en cuanto a la continuidad de su operación.
6.1.5 Medidas de Temperatura
Se puede tomar remotamente la medida de la temperatura del pararrayos mediante métodos
de imagen térmica. Las medidas son sólo indicativas de la condición del pararrayos, puesto
que la caída de temperatura entre los resistores y la superficie de la carcasa puede ser
significativa. Sin embargo, las medidas comparativas tomadas en pararrayos adyacentes o
unidades de pararrayos pueden indicar calentamiento excesivo.
38
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
Las medidas directas de la temperatura del resistor de óxido metálico indican la condición del
pararrayos con exactitud, pero requieren que el pararrayos esté equipado con transductores
especiales al momento de fabricarlo. Por lo tanto, este método se usa sólo con aplicaciones
especiales de pararrayos.
6.1.6 Medida de corriente de fuga en pararrayos de óxido metálico
Cualquier deterioro de las propiedades de aislamiento de un pararrayos de óxido metálico
causará aumento de la corriente de fuga resistiva o pérdida de potencia con valores dados de
tensión y temperatura. La mayor parte de los métodos de diagnóstico para determinar la
condición de pararrayos de óxido metálico, sin descargador se basan en la medida de la
corriente de fuga.
Los procedimientos de medida se pueden dividir en dos grupos: medidas en línea, cuando el
pararrayos está conectado al sistema y recibe energía de la tensión de servicio, durante la
operación normal; y medidas fuera de línea, cuando el pararrayos está desconectado del
sistema y recibe energía de una fuente de tensión externa, en el sitio o en el laboratorio.
Se pueden tomar las medidas fuera de línea con fuentes de tensión especialmente adaptadas
para tal fin, Por ejemplo: generadores de prueba móviles con corriente alterna o directa. Se
puede lograr exactitud con los métodos fuera de línea, siempre y cuando se use tensión
suficientemente alta. Las mayores desventajas son el costo de los equipos y la necesidad de
desconectar el pararrayos del sistema.
El método más común es tomar las medidas en línea, con tensión normal de servicio. Por
razones prácticas y de seguridad, se accede normalmente a la corriente de fuga sólo por el
extremo aterrizado del pararrayos. Para poder tomar las medidas de la corriente de fuga que
fluye por la conexión a tierra, el pararrayos debe estar equipado con un terminal a tierra
aislado.
Nota. El aislamiento del terminal a tierra debe ser suficiente, aún después de degradarse con el tiempo, para evitar
la corriente circulante causada por inducción electromagnética, puesto que estas corrientes pueden influir la medida
de la corriente de fuga.
Generalmente se mide la corriente de fuga en forma temporal y con instrumentos portátiles o
instalados permanentemente. Usualmente, los instrumentos portátiles están conectados al
terminal a tierra del pararrayos mediante una mordaza, o son transformadores de tensión
instalados permanentemente. Puede ser necesario tomar medidas de la corriente de fuga a
largo plazo para investigaciones más estrictas, especialmente si las medidas temporales
revelan cambios importantes en las condiciones de un pararrayos. Es posible implementar
medidas remotas por sistemas computarizados para supervisar los equipos de una
subestación.
6.1.6.1 Propiedades de la corriente de fuga de resistencias no lineales de óxido metálico. La
corriente de fuga AC se puede dividir en una parte capacitiva y un parte resistiva, con un
componente capacitivo predominante y una parte resistiva significativamente menor. Esta
diferencia es visible en la Figura 3, la cual muestra las medidas típicas de corriente de fuga en
el laboratorio, con una sola resistencia no lineal de óxido metálico, cuando esta energizado a
una tensión equivalente a UC en todo el pararrayos. La Figura 4 muestra los resultados de las
medidas de corriente de fuga, tomadas en dos pararrayos distintos, a niveles de tensión
inferiores a UC. La Figura 4 también ilustra la influencia de los distintos niveles de contenido
armónico en la tensión del sistema.
39
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NTC 4616 (Primera actualización)
Ensayo de tensión, corriente de fuga
Ensayo de tensión, corriente de fuga
dU / dt = 0
Tensión
U = Uc
Corriente resistiva
i = 10...600 µ A
Corriente de fuego
i = 0,2...3 mA
Tiempo
Figura 3. Corriente de fuga típica de una resistencia no lineal de óxido metálico en condiciones de
laboratorio
4
Alto contenido de armónicos
en la tensión del sistema
Corriente de fuga - mA
3
2
1
0
-1
Bajo contenido de armónicos
en la tensión del sistema
-2
-3
-4
Tiempo
Figura 4. Corrientes de fuga típicas de pararrayos en condiciones de servicio
6.1.6.1.1 Corriente de fuga capacitiva. La corriente de fuga capacitiva, medida en el terminal a
tierra de un pararrayos, es causada por la permisividad de los resistencias no lineales de óxido
metálico, las capacitancias parásitas y los condensadores de repartición de tensión, si se usan.
La capacitancia específica de un elemento resistor no lineal es, típicamente, de 60 pF.kV/cm2 a
150 pF.kV/cm2 (tensión nominal), lo cual da como resultado una corriente de fuga pico
capacitiva cercana a 0,2 mA hasta 3 mA en condiciones normales de servicio.
40
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
No existe evidencia que indique que la corriente capacitiva cambiaría significativamente debido
al deterioro de las características de la tensión-corriente de las resistencias no lineales de óxido
metálico. Por lo tanto, es poco probable que las medidas de la corriente capacitiva puedan
indicar en forma confiable el estado de los pararrayos de óxido metálico.
6.1.6.1.2 Corriente de fuga resistiva. A valores dados de tensión y temperatura, el componente
resistivo de la corriente de fuga es un indicador sensible de los cambios de las características
de tensión-corriente de las resistencias no lineales de óxido metálico. Por lo tanto, la corriente
resistiva se puede usar como herramienta para diagnosticar la indicación de cambios del
estado del pararrayos de óxido metálico en servicio. Las características típicas de tensióncorriente resistiva y capacitiva para tensiones AC están indicadas en la Figura 5. Para
comparación, la Figura 5 muestra además las características típicas de las tensiones D.C.
1,2
1,0
0,8
x
x
x
x
+
x
+
x+
U/U r
+
0,6
x
+
x
+
x
x
+
x
+
DC, +20 °C
DC, +40 °C
+
+
0,4
AC resistiva +20 °C
AC resistiva +40 °C
+
AC capacitiva
0,2
0,0
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
Corriente - mA
Figura 5. Características típicas de tensión-corriente de resistencias no lineales de óxido metálico
La componente resistiva bajo tensión AC se define como el nivel de corriente al momento de la
máxima tensión (dU/dt = 0), como se indica en la Figura 3. La corriente de fuga resistiva de una
resistencia no lineal de óxido metálico es del orden del 5 % al 20 % de la corriente capacitiva
en condiciones normales de operación, lo cual corresponde aproximadamente a una corriente
resistiva pico de 10 µA a 600 µA a una temperatura de +20 ºC.
En la región de la corriente de fuga, la corriente resistiva depende de la tensión y la
temperatura. Los valores típicos de dependencias de tensión y temperatura bajo tensión AC se
indican en las Figuras 6 y 7, normalizadas a UC y a + 20 ºC, respectivamente.
41
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Dependencia de tensión - p.u.
6
5
Corriente resistiva
4
Corriente del tercer armónico
Perdida de energia
3
2
1
0
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
U / Uc
Figura 6. Dependencia normalizada típica de tensión a +20 ºC
Dependencia de temperatura - p.u.
12
10
Corriente resistiva
Corriente del tercer armónico
8
Perdida de energia
6
4
2
0
-40
-20
0
20
40
60
80
Temperatura - °C
100
120
140
Figura 7. Dependencia normalizada típica de temperatura a UC
La distribución de tensión a lo largo de un pararrayos puede ser irregular, debido
primordialmente a la influencia de capacitancias parásitas a tierra y a los equipos adyacentes.
Por lo tanto, la tensión a través de las resistencias no lineales de óxido metálico en el extremo
a tierra del pararrayos puede desviarse, tanto en amplitud como en fase, con respecto al valor
medio a lo largo del pararrayos. Este fenómeno afecta la medida de la corriente de fuga
resistiva de dos maneras: Primero, la corriente resistiva medida en la conexión a tierra depende
de la amplitud de la tensión a través de las resistencias no lineales de óxido metálico en el
extremo aterrizado, por lo tanto, la corriente resistiva medida puede diferir de la corriente
resistiva promedio a lo largo del pararrayos. Segundo, el desfase de la tensión a través de las
resistencias no lineales de óxido metálico, en el extremo aterrizado, influye el resultado de la
medida de la corriente resistiva con los métodos que usan la tensión a través de todo el
pararrayos como referencia para el ángulo de fase.
42
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Otro fenómeno similar, que puede influir en la medida de la corriente resistiva al usar ciertos
métodos, es la corriente capacitiva inducida en el conductor a tierra del pararrayos por las fases
adyacentes.
6.1.6.1.3 Armónicos en la corriente de fuga. Las características de corriente-tensión no lineales
de un pararrayos de óxido metálico dan lugar a armónicos en la corriente de fuga, cuando el
pararrayos es energizado con una tensión sinusoidal. El contenido de armónicos depende de
la amplitud de la corriente resistiva y el grado de no linealidad, lo cual es una función de la
tensión y de la temperatura. Como ejemplo, el contenido del tercer armónico de la corriente
resistiva es típicamente de 10 % a 40 %. Por lo tanto, se puede usar el contenido de armónicos
como indicador de la corriente resistiva. Los valores típicos de la variación del componente de
armónicos del tercer orden con la tensión y la temperatura se indica en las Figuras 6 y 7.
Otra fuente de armónicos, además de las que se pueden descartar, capaces de influenciar
considerablemente la medida de armónicos en la corriente de fuga, es el contenido de
armónicos en la tensión del sistema. Las corrientes armónicas capacitivas, producidas por los
armónicos de la tensión, pueden ser del mismo orden de amplitud de las corrientes armónicas
creada por la resistencia no lineal del pararrayos. En la Figura 4 se presenta un ejemplo de
armónicos en la corriente de fuga, causada por los armónicos de la tensión del sistema
6.1.6.1.4 Pérdida de energía. Se puede usar la pérdida de energía como indicador de
diagnóstico de los pararrayos, de la misma forma que la corriente de fuga resistiva. Los valores
típicos de pérdida de energía son de 5 mW/kV a 300 mW/kV (tensión nominal) a UC y +20 ºC.
Las dependencias de temperatura y tensión son prácticamente las mismas de la corriente
resistiva, como se demuestra en las Figuras 6 y 7.
6.1.6.2 Corriente de fuga superficial. Al igual que con cualquier otro aislador de intemperie, se
puede presentar temporalmente corriente de fuga en la superficie externa de la carcasa del
pararrayos, cuando llueve o en condiciones de mucha humedad combinada con contaminación
superficial. Además, puede aparece corriente de fuga superficial interna debido a la
penetración de humedad. Al tomar las medidas, las corrientes superficiales pueden interferir
con la corriente de fuga de las resistencias, sin embargo, la sensibilidad a las corrientes
superficiales externas e internas puede ser diferente para los distintos métodos de medida. Se
puede evitar la influencia de la corriente de fuga superficial externa, bien sea tomando las
medidas en seco o mediante otro método adecuado; Por ejemplo: puentiando a tierra la
corriente de fuga superficial.
6.2
MEDIDA DE LA CORRIENTE DE FUGA TOTAL
La corriente de fuga total depende básicamente de la corriente capacitiva, puesto que la parte
resistiva es sólo una fracción del componente de la corriente capacitiva. Más aún, los
componentes de corriente capacitiva y resistiva están desfasados 90º, por lo tanto, es
necesario un aumento importante de la corriente resistiva en las resistencias no lineales de
óxido metálico antes de poder notar un cambio significativo del nivel de corriente de fuga total.
Además, la corriente de fuga total es sensible a la instalación, puesto que la corriente
capacitiva depende de las capacitancias parásitas.
En la práctica se usan ampliamente las medidas en línea de la corriente de fuga total mediante
amperímetros convencionales incorporados en los contadores de descarga o en instrumentos
portátiles para indicar el valor r.m.s., medio o pico de la corriente de fuga total.
43
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NTC 4616 (Primera actualización)
La sensibilidad de los valores r.m.s, medio y pico de la corriente de fuga total a las variaciones
en la corriente resistiva se ilustra en la figura 8. La baja sensibilidad a los cambios de nivel de
corriente resistiva hace que las medidas de la corriente de fuga total sean adecuadas como
indicador de diagnóstico en los pocos casos donde la corriente resistiva es del mismo rango de
la corriente capacitiva.
Aumento relativo de la corriente de fuga total
1,6
1,5
Pico
1,4
Medio
r.m.s.
1,3
1,2
1,1
1,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Aumento relativo de la corriente de fuga resistiva
Figura 8. Influencia en la corriente de fuga total por aumento de la corriente de fuga resistiva
6.3
MEDIDA DE LA CORRIENTE DE FUGA RESISTIVA O PÉRDIDA DE ENERGÍA
Se puede determinar la parte resistiva de la corriente de fuga o pérdida de energía con varios
métodos. Se pueden identificar los tres principios más importantes, los cuales se pueden dividir
posteriormente en diferentes grupos:
Método A.
Medida directa de la corriente de fuga resistiva. Este método se puede dividir en
cuatro grupos, dependiendo del método de extracción del componente resistivo de la corriente
de fuga.
A1
Con el uso de una señal de tensión de referencia
A2
Compensar la componente capacitiva de la corriente de fuga con el uso de una
señal de tensión.
A3
Compensar la componente capacitiva de la corriente de fuga sin el uso de una
señal de tensión.
A4
Compensar las componentes capacitivas de la corriente de fuga al combinar las
corrientes de las tres fases.
44
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Método B:
Determinación indirecta de la componente resistiva mediante el análisis de los
armónicos de la corriente de fuga. Este método se puede dividir en tres grupos diferentes:
B1
Análisis de armónicos del tercer orden en la corriente de fuga.
B2
Análisis de armónicos del tercer orden compensando los armónicos en la tensión
del sistema.
B3
Análisis de armónicos del primer orden en la corriente de fuga.
Método C:
Determinación directa de las pérdidas de energía.
6.3.1 Método A1. Con el uso de una señal de tensión de referencia
Este método consiste en el uso de una señal de referencia, la cual representa la tensión a
través del pararrayos. Se puede usar la señal de referencia para la lectura directa de la
componente resistiva de la corriente de fuga en el momento en que la tensión esta en su valor
pico (dU/dt = 0). Se puede leer la tensión y el nivel de corriente resistiva con un osciloscopio o
con un dispositivo similar. Este método se usa comúnmente en el laboratorio para determinar
con exactitud la corriente resistiva, puesto que la señal de referencia es accesible mediante un
divisor de tensión con desfase suficientemente corto (ver la Figura 4).
En la práctica, la exactitud está limitada básicamente por el desfase de la señal de referencia y
por las desviaciones de la magnitud y fase de la tensión a través de las resistencias no lineales
de óxido metálico en el extremo a tierra del pararrayos, como se indica en la sección 6.1.6.1.2.
La presencia de armónicos en la tensión puede reducir aún más la exactitud del método.
Una restricción del método al tomar medidas en servicio, es la necesidad de una señal de
referencia. Es necesario hacer una conexión temporal en el lado secundario de un
transformador de potencial, o la derivación (tap) capacitiva de un aislador, la cual puede ser
compleja de obtener. Las corrientes capacitivas inducidas en la conexión a tierra del pararrayos
por las fases adyacentes, pueden reducir la exactitud de las medidas tomadas en servicio,
como se indica en la sección 6.1.6.1.2.
6.3.2 Método A2. Compensación de la componente capacitiva con el uso de una señal
de tensión
Al usar una señal de tensión para compensar la componente capacitiva de la corriente de fuga,
puede aumentar aún más la sensibilidad de la medida de la parte resistiva. El principio básico
es un puente HV donde se ajusta el brazo capacitivo-resistivo para equilibrar la componente
capacitiva de la corriente de fuga, de tal manera que sólo la parte resistiva no lineal aporta a la
tensión de salida, lo cual se puede estudiar con ayuda de un osciloscopio.
El puente queda equilibrado cuando la tensión está cerca de cero y la corriente capacitiva en el
pico. Puesto que la diferente capacitancia del pararrayos depende de la tensión (la
capacitancia aumenta con la tensión), al tiempo que la capacitancia del puente es constante, la
corriente remanente, después de compensar, comprende no sólo la componente resistiva sino
una parte capacitiva, además. Este fenómeno se ilustra en la Figura 9. Al igual que con el
Método A1, la verdadera componente resistiva se encuentra en el instante del pico de tensión.
45
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Tensión
Tensión, corriente
Corriente remanente
despues de compensar
Corriente de fuga total
Tiempo
Figura 9. Corriente remanente después de compensar por corriente capacitiva a UC
Puesto que el método requiere una tensión de referencia, a la cual puede ser difícil acceder en
servicio, el método es restringido en general, de la misma manera que el método A1. En forma
igual al método A1, la exactitud puede estar reducida por los desfases de tensiones y
corrientes, debido a la influencia de las fases adyacentes.
6.3.3 Método A3. Compensación de la componente capacitiva sin el uso de una señal
de tensión
Este es un método de compensación, con el cual se elimina la necesidad de una señal de
tensión. El principio básico consiste en que se crea sintéticamente una señal de referencia de
frecuencia fundamental por medio de información derivada de la corriente de fuga. Con la
amplitud y el ángulo de fase ajustados adecuadamente, lo cual se puede hacer
automáticamente o con el uso de un osciloscopio, se puede hacer que la señal de referencia
compense la componente capacitiva de la corriente de fuga. El método se puede implementar
con diferentes grados de sofisticación.
El método se puede utilizar fácilmente para tomar medidas en servicio. Un posible problema
sería la presencia de armónicos en la tensión, lo cual puede causar corrientes capacitivas
armónicas que pueden interferir con la componente resistiva. Más aún, la señal de
compensación representa la corriente en una capacitancia lineal, lo cual implica la misma clase
de problema de exactitud que se presenta con el método A2. Los desfases de las tensiones y
las corrientes, causados por las fases adyacentes, pueden reducir la exactitud, al igual que los
métodos A1 y A2.
6.3.4 Método A4. Compensación capacitiva al combinar las corrientes de fuga de las
tres fases
Con este método se presume que las corrientes capacitivas están canceladas si se suman las
corrientes de fuga de los pararrayos en las tres fases. La corriente resultante está compuesta
por los armónicos de las corrientes resistivas de los tres pararrayos, puesto que las
componentes fundamentales también quedan cancelados en tanto sean de igual magnitud. Si
hubiera aumento de la corriente resistiva de cualquiera de los pararrayos y las corrientes
capacitivas permanecieran constantes, el aumento aparecerá en la corriente sumada. No es
necesaria una señal de referencia de tensión.
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Para tomar medidas en servicio, la mayor desventaja del método consiste en que las corrientes
capacitivas de las tres fases no son iguales, por lo general. Sólo las geometrías bien
controladas, por ejemplo: los pararrayos en dispositivos de distribución aislados con gas,
combinados con capacitancias iguales de los pararrayos, darán la simetría necesaria. Otra
preocupación es la influencia de los armónicos en la tensión del sistema, lo cual generará
armónicos en la corriente sumada.
6.3.5 Método B1. Análisis de armónicos del tercer orden
El método se basa en el hecho de que se generan armónicos en la corriente de fuga por la
característica de tensión-corriente no lineal del pararrayos. No es necesaria la referencia de
tensión puesto que se asume que todos los armónicos surgen de la corriente resistiva no lineal.
El contenido de armónicos depende de la magnitud de la corriente resistiva y del grado de nolinealidad de la característica de la tensión-corriente; Por ejemplo: el contenido de armónicos
también varía con la tensión y la temperatura del pararrayos, como indican los armónicos del
tercer orden de las Figuras 6 y 7.
El tercer armónico es el mayor componente armónico de la corriente resistiva y es el que se
usa más comúnmente para medidas de diagnóstico. La conversión de nivel de corriente
armónica a resistiva, si fuera necesario, se basa en la información suministrada por el
fabricante del pararrayos o en las medidas tomadas en el laboratorio.
El método se puede usar fácilmente para tomar medidas en servicio, El mayor problema es la
sensibilidad de los armónicos en la tensión del sistema. Los armónicos en la tensión pueden
crear corrientes armónicas capacitivas de tamaño comparable con las corrientes armónicas
generadas por la resistencia no lineal del pararrayos. Como resultado, el error de la corriente
armónica medida puede ser considerable, si el contenido de armónicos es alto en la tensión.
Esto se demuestra en la Figura 10, donde el error de evaluación del tercer armónico en la
corriente de fuga está dado como una función del contenido de armónicos en el sistema de
tensión. La figura incluye los efectos de las distintas características de tensión corriente y
capacitancias, así como la influencia del ángulo de fase del tercer armónico en la tensión.
350
300
Evaluación del error - %
250
200
150
100
50
Rango de error
0
-50
-100
-150
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Tercer armónico en la tensión del sistema - %
Figura 10. Error de evaluación del tercer armónico de la corriente de fuga con los distintos ángulos de fase
del tercer armónico de la tensión del sistema, considerando varias capacitancias y características tensióncorriente de resistencias no lineales de óxido metálico
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6.3.6 Método B2. Análisis de armónicos del tercer orden compensando los armónicos
en la tensión
El método se basa en el mismo principio del método B1, pero se reduce en forma importante la
sensibilidad a los armónicos en la tensión al introducir una señal de corriente compensatoria de
la corriente capacitiva del tercer armónico en el pararrayos. La señal de corriente
compensatoria se deriva de un “probador de campo” colocado en la base del pararrayos.
Después de obtener una escala correcta, se resta de la corriente armónica total la corriente
armónica inducida en el probador por el campo eléctrico. El resultado es la corriente armónica
generada por la corriente no lineal resistiva del pararrayos. La conversión del tercer armónico a
corriente resistiva, requiere información adicional del fabricante del pararrayos, al igual que con
el método B1. Este método es adecuado para tomar medidas en servicio.
6.3.7 Método B3. Análisis de armónicos del primer orden
La componente fundamental de la corriente resistiva se obtiene filtrando e integrando la
corriente de fuga, lo cual da una señal proporcional a la componente resistiva.
La influencia de los armónicos en la tensión del sistema, cuando se toman las medidas en
servicio, queda prácticamente eliminada al usar sólo las componentes fundamentales de la
tensión y de la corriente. La principal restricción del método es la necesidad de obtener una
señal de tensión; Por ejemplo: del lado secundario de un transformador de potencial. La
exactitud depende de los desfases en las tensiones y corrientes, de la misma forma que con
los métodos A1-A3.
6.3.8
Método C. Determinación directa de las pérdidas de energía
La pérdida de energía es la integral del producto de los valores instantáneos de la tensión y de
la corriente de fuga, dividido por tiempo. La pérdida de energía se puede expresar en términos
del producto del valor r.m.s. de la componente resistiva de la corriente de fuga y el valor r.m.s
la tensión a través del pararrayos. La influencia de los armónicos sobre la tensión se reduce en
forma importante mediante la operación de multiplicación e integración. La principal desventaja
es la necesidad de una señal de tensión. Al igual que con los métodos A1 – A3, la exactitud al
tomar las medidas en servicio puede estar limitada por los desfases de la tensión y las
corrientes, causados por las fases adyacentes.
6.4
INFORMACIÓN DE LA CORRIENTE DE FUGA PROPORCIONADA POR EL
FABRICANTE DEL PARARRAYOS
Se pueden comparar los datos de medida de corriente de fuga con la información suministrada
por el fabricante del pararrayos. Para utilizar esta información es importante conocer la tensión
de operación y la temperatura ambiente en el momento de la medición.
Para usar eficientemente los métodos de diagnostico descritos, el fabricante del pararrayos
podrá suministrar información importante para los distintos métodos. La información puede
abarcar los datos de la corriente resistiva, la corriente del tercer armónico y de pérdida de
energía para cada clase de pararrayos en función de la tensión y la temperatura.
Para usos prácticos, la dependencia de la tensión se puede expresar como una función de la
tensión de servicio dividida por Ur. La información deberá cubrir, preferiblemente, las tensiones
de operación de 0,40 a 0,90 de Ur. Las corrientes resistiva y del tercera armónico se darán
como valores pico mientras que la pérdida de energía se expresará como un valor específico
basado en la tensión nominal.
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La dependencia de la temperatura se dará como función de la temperatura ambiente,
asumiendo cierto exceso de temperatura de las resistencias, puesto que no es posible obtener
la temperatura real de las resistencias al tomar las medidas en servicio. El rango de
temperatura ambiente deberá estar preferiblemente entre –10 ºC a + 40 ºC.
Nota. La temperatura real de la resistencia puede ser superior a la normal debido a la radiación solar, la absorción
de energía y similares.
Dos clases de información del fabricante del pararrayos son de gran interés para la evaluación
de los resultados de la medida.
La primera es la información por comparación de los resultados obtenidos en distintas condiciones
de operación, en términos de tensión de servicio y temperatura ambiente. Al convertir los
resultados medidos en un conjunto de condiciones de operación “normales”; Por ejemplo: una
tensión de servicio de 0,70 de Ur y una temperatura ambiente de + 20 ºC, es posible comparar los
resultados de las medidas tomadas en distintas ocasiones. El fabricante puede dar la información
como multiplicadores para corrección, como se indica en las Figuras 11 y 12.
4
Corriente resistiva
Multiplicador
3
Corriente del tercer armónico
Perdida de energia
2
1
0
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
Figura 11. Información típica para conversión a condiciones
de tensión de operación “normales”
49
0,90
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1,8
1,6
Multiplicador
Corriente resistiva
1,4
Corriente del tercer armónico
Perdida de energia
1,2
1
0,8
0,6
-10
0
10
20
30
40
Temperatura ambiente - °C
Figura 12. Información típica para conversión a condiciones de
temperatura ambiente “normales”
La segunda es que el fabricante del pararrayos puede indicar límites de las cantidades medidas
después de convertir a condiciones “normales” como se indicó antes. Si se superan los límites,
se deberá consultar con el fabricante para solicitar asesoría adicional. Se pueden dar los
límites como valores absolutos y/o cambios relativos con el tiempo.
Notas:
1)
Debido a la complejidad de los métodos de medida, se recomienda consultar con el fabricante del
pararrayos para evitar la interpretación errónea de los resultados de las medidas.
2)
La determinación de los datos de la corriente del tercer armónico puede ser influenciada de los armónicos
en la tensión de ensayo del laboratorio. Por lo tanto se deben tener en cuenta los requisitos del equipo de
ensayo.
6.4
RESUMEN DE LOS MÉTODOS DE DIAGNÓSTICO
La Tabla 4 resume la experiencia de servicio de los distintos métodos de diagnóstico. La
sensibilidad, la eficiencia del diagnóstico y la experiencia de servicio con los distintos métodos
para medir las corrientes de fuga, se indican en la Tabla 5.
50
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Tabla 4. Resumen de los métodos de diagnóstico
Condición de
servicio
Método de Diagnóstico
Fuera En línea
de línea
Experiencia
de servicio
Indicador de falla
X
Limitada
Desconectador
X
Amplia
Contador de descargas
Dispositivo de supervisión de chispas
X
Medida de temperatura
a)
X
Amplia
X
Amplia
X
Limitada
b)
Medida de la corriente de fuga
- con fuente de tensión externa
X
Ver tabla 5
- con la tensión de servicio
X
a)
Con pararrayos de media tensión
b)
En ciertos países
Ver tabla 5
Tabla 5. Propiedades de los métodos de medida de corriente de fuga en el sitio
Experiencia
de Servicio
Ref
No.
5
Complejidad de manejo
Desfases al medir la
tensión o corriente
Eficiencia
del
Diagnóstico
Calidad de la
información
Sensibilidad a
Corrientes superficiales
Método
No.
Armónicas en la tensión
Método de medida de corriente de fuga
Fuente de tensión externa
n.a
n.a
alta
alta
alta
limitada
Tensión de servicio o fuente de tensión
A.C. externa
Medida de corriente de fuga total
baja
baja
media
baja
Baja
extensa
A1
A2
A3
A4
media
media
media
alta
alta
alta
alta
alta
alta
alta
alta
alta
Media
media
media
baja
alta
alta
baja
baja
limitada
limitada
n.i.d
limitada
6
7
8
9, 10
B1
B2
B3
C
alta
baja
baja
baja
baja
baja
alta
alta
baja
baja
alta
alta
media Baja
alta Media
media alta
media alta
extensa
extensa
limitada
n.i.d
11
12,13
14
15
Medida de corriente de fuga resistiva
- con tensión de referencia
- con compensación de condensador
- con compensación sintética
- con cancelación de corriente capacitiva
Análisis de armónicos en corriente de fuga
- con tercer armónico
- con tercer armónico con compensación
- con armónico de primer orden
Medida de la pérdida de energía
Nota. n.a. = no se aplica; n.i.d. = no hay información disponible
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Anexo A (Informativo)
Determinación de las sobretensiones temporales causadas por fallas a tierra
El factor de falla a tierra K es la relación entre el máximo valor eficaz de la tensión fase tierra a
frecuencia industrial sobre una fase sana en un sitio dado durante una falla a tierra (que afecte
una o varias fases en un punto cualquiera) y el valor eficaz de la tensión fase tierra a frecuencia
industrial que existiría en ausencia de falla (véase el numeral 3.17 de la NTC 3328 (IEC 71-1)).
El factor de falla a tierra se calcula a partir de las impedancias complejas Z1, Z2 y Zo de los
sistemas de secuencia positiva, negativa y cero, teniendo en cuenta la resistencia de falla R.
Se aplica lo siguiente:
Z1 = Z2 = R1 + jX1: Resistencia y reactancia del sistema de secuencia positiva y negativa.
Z0 = R0 + jX0 : Resistencia y reactancia del sistema de secuencia cero.
Los factores de falla a tierra se calculan para la localización de la falla.
Nota. Conviene observar que en las redes muy extensas de neutro puestas a tierra mediante bobina de compensación,
el factor de falla a tierra puede ser más elevado en lugares distintos del sitio de la falla.
La Figura A1 muestra la situación global cuando R1 << X1 y R = 0.
El rango de los valores elevados de X0 / X1 en positivo y/o en negativo, corresponde a redes de
neutro aisladas o puestas a tierra mediante bobinas de compensación.
El rango de los valores bajos positivos de X0 / X1 corresponde a redes de neutro puesto a tierra.
El rango de valores bajos negativos de X0 / X1 indicados mediante trazos, no es adecuado para
aplicación práctica debido a condiciones de resonancia.
Para sistemas de neutro puesto a tierra, las Figuras A2 a A5 muestran los factores de falla a
tierra como familias de curvas aplicables a valores particulares de R1/ X1.
Las curvas se calculan con la resistencia de falla que produce el valor más elevado del factor
de falla a tierra.
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Figura A1. Factor de falla a tierra k en función de X0/X1, para R1 / X1 = R = 0
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Las curvas se dividen en regiones que representan las condiciones más críticas mediante los siguientes métodos de
presentación:
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
adelanta a la fase en falla
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
atrasa a la fase en falla
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en las fases sanas
Figura A2. Relación entre R0 / X1 y X0 / X1 para valores constantes
del factor de falla a tierra k donde R1 = 0
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Las curvas se dividen en regiones que representan las condiciones más críticas mediante los siguientes métodos de
presentación:
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
adelanta a la fase en falla
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
atrasa a la fase en falla
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en las fases sanas.
Figura A3. Relación entre R0 / X1 y X0 / X1 para valores constantes del factor
de falla a tierra k donde R1 = 0,5 X1 .
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Las curvas se dividen en regiones que representan las condiciones más críticas mediante los siguientes métodos de
presentación:
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
adelanta a la fase en falla.
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
retrasa a la fase en falla
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en las fases sin
fallas.
Figura A4. Relación entre R0 / X1 y X0 / X1 para valores constantes
del factor de falla a tierra k donde R1 = X1.
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Las curvas se dividen en regiones que representan las condiciones más críticas mediante los siguientes métodos de
presentación:
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
adelanta a la fase en falla.
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en la fase que
retrasa a la fase en falla.
tensión máxima que ocurre durante una falla fase a tierra en las fases sin
fallas.
Figura A5. Relación entre R0 / X1 y X0 / X1 para valores constantes del
factor de falla a tierra k donde R1 = 2X1.
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Anexo B (Informativo)
Práctica visual
Para las redes de suministro de potencia dentro de algunos países la aplicación de esta norma
puede dar como resultado la elaboración de tablas de características de pararrayos usados en
forma constante. Para el uso de esta norma dentro de esos países, las tablas que contengan
tales características se pueden agregar a este anexo B, sin desviarse de la norma.
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Anexo C (Informativo)
Bibliografía
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les réseaux alternatifs. Partie 3: Surtensions temporaires et contraintes assoclées sur
les parafoudres à oxyde métallique".
ELECTRA 128 (1989) 114 …125
[2]
A. R. Hileman, J Roguin, K.-H. Weck: "Parafouddres à oxyde métallique dans les
réseaux alternatifs. Partie 5: Performances de protection des parafoudres à oxyde
métallique".
ELECTRA 133 (1990) 132 …144
[3]
L. Stenstrom: "Parafouddres à oxyde métallique dans les réseaux alternatifs.
Partie 6: Sélection des caractéristiques des parafoudres à oxyde métallique".
ELECTRA 133 (1990) 146 …165
[4]
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systems by temporary and transient overvoltages and related tests".
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(8]
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153 Bl.
[9]
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[10]
J.S. Kresge, E.C. Sakshaug: Discussion to Reference [12].
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Shirakawa, F. Endo, H. Kitajima, S. Kobayashi, K. Kurita, K. Goto. M. Sakai, Maintenance of Surge
Arrester by a Portable Leakage Current Detector, IEEE Trans. on PWRD, Vol. 3, No.3, July 1988.
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J. Lundquist, L. Stenstróm, A. Schei, B. Hansen, New Method for Measurement of the
Resistive Leakage Currents of Metal-Oxide Surge Arresters in Service, IEEE Trans. on
PWRD, Vol. 5, No. 4, November 1990.
[13]
A. Schei, B. Hansen,.K. Karijord, Resistive Leakage Current Measurements on Metal Oxide
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[14] Maintenance, Devices for Surge ArrQsters, Meiden Review, No. 3, 1989,
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L.T. Coffeen, J.E. MclBride, High Voltage AC Resistíve Current Measurements using a
Computer Based Digital Watts Technique, IEEE Trans. on PWRD Vol. 6, No.2, April 1991.
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NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4616 (Primera actualización)
DOCUMENTO DE REFERENCIA
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMSSION. Surge Arresters. Part 5. Selection and
Application Recomendations. Geneve, 1996. 89 p.il. (IEC 60099-5).
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMSSION. surge Arresters. Part 5. Selection and
Application Recomendations. Amendment 1, Geneve, 1999. 35 p.il (IEC 60099-5).
60