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Define los diferentes tipos de sobretensiones
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D. Fulchiron
Cuaderno Técnico nº 151
Sobretensiones y coordinaciónDel aislamiento
La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas
Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.
Puede accederse a estas publicaciones en Internet:
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Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemas
reproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las
consecuencias de la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.
La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:
«Reproducción del Cuaderno Técnico Nº respectivo de Schneider Electric».
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Cuaderno Técnico no 151
D. Fulchiron
Sobretensiones y coordinacióndel aislamiento
Ingeniero de la E.S. d’Electricité en 1980,ingresó en Merlin Gerin en 1981,trabajando en la Estación de Ensayos deGran Potencia (Volta) hasta 1987.Seguidamente se integró al ServicioTécnico de la División Media Tensión, dela cual actualmente es el Jefe deProyectos.
Al haber estudiado los materiales dedistribución secundaria, pasó aprofundizar en el dominio de lacoordinación del aislamiento.
El autor agradece a:
Florencio Bouchet
Estudiante de la Escuela Supelec, suparticipación, en periodo de prácticas, enla realización de este documento.
Jean Pasteau
Miembro de la Dirección Técnica que haaportado sus conocimientos de experto,participando en la revisión de la normaCEI 71.
Por: D. Fulchiron
Trad.: Dr. M. Cortes Cherta
Edición francesa: diciembre 1 992
Versión española: febrero 1 994
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 4
La coordinación del aislamiento esuna disciplina que permite realizar elmejor compromiso técnico-económico en la protección de laspersonas y del material contra lassobretensiones que pueden apareceren las instalaciones eléctricas,sobretensiones que pueden tener pororigen la red o el rayo.
Tiene un especial interés en laconsecución de una mayordisponibilidad de la energía eléctrica,siendo tanto más importante cuantomás elevada es la tensión de la red.
Para dominar la coordinación delaislamiento es necesario:
n conocer el nivel de sobretensionesque pueden existir en la red,
n utilizar las mejores proteccionescuando sea necesario,
n escoger el nivel de soporte a lassobretensiones, de los diversoscomponentes de la red, entre lastensiones de aislamiento quepermiten satisfacer las exigenciasque se han determinado.
Este Cuaderno Técnico tiene porobjeto permitir conocer mejor lasperturbaciones de la tensión y losmedios para limitarlas, así como lasdisposiciones normativas parapermitir una distribución segura yoptimizada de la energía eléctrica,gracias a la coordinación delaislamiento.
Trata esencialmente de las redes deMT y AT.
Índice
Sobretensiones y coordinación del aislamiento
1 Sobretensiones Sobretensiones a frecuencia p. 5industrial
Sobretensiones de maniobra p. 7
Sobretensiones atmosféricas p. 10
2 La coordinación del aislamiento Definición p. 13
Distancia de aislamiento p. 13y tensión soportada
Tensión soportada p. 14
Principio de la coordinación p. 15del aislamiento
3 Los dispositivos de protección Los explosores p. 16contra las sobreintensidades Los pararrayos p. 17
4 Disposiciones normativas y La coordinación del aislamiento p. 20 coordinación del aislamiento en AT según CEI 71
5 Coordinación aplicada al diseño Consecuencias de un cebado p. 24 de instalaciones eléctricas de arco
Reducción de los riesgos y de p. 24los niveles de sobretensión
Sobretensión debida a la p. 24ferrorresonancia
6 Conclusión p. 25
Anexo 1: Propagación de las sobretensiones p. 26
Anexo 2: Instalación de pararrayos Distancia máxima de protección p. 27
Cableado de los pararrayos p. 28
Anexo 3: Las normas eléctricas p. 28
Anexo 4: Bibliografía p. 29
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 5
1 Sobretensiones
Se definen como tales lasperturbaciones que se superponen ala tensión nominal de un circuito.
Pueden aparecer:
n entre fases o entre circuitosdistintos, y son llamadas de mododiferencial,
n entre los conductores activos y unamasa, o la tierra, y son llamados demodo común.
Su carácter variado y aleatorio lashace difícil de caracterizar y sóloautoriza una aproximación estadísticaen lo que concierne a su duración,sus amplitudes y sus efectos. Latabla de la figura 1 presenta lasprincipales características de estasperturbaciones.
En realidad los riesgos se sitúanesencialmente al nivel de losdisfuncionamientos, de ladestrucción del material y, comoconsecuencia en la no continuidaddel servicio. Sus efectos puedenpresentarse en las instalaciones delos usuarios.
Las perturbaciones pueden conducir a:
n interrupciones cortas(reenganche automático en lasinstalaciones de distribución públicaMT por líneas aéreas),
n interrupciones largas(intervención para el cambio de losaislantes destruidos; ver reemplazodel material).
Los aparatos de protección permitenlimitar los riesgos. Su puesta enservicio necesita la elaboraciónreflexiva de los niveles coherentes deaislamiento y protección. Para ello,es indispensable una comprensiónprevia de los diferentes tipos desobretensión, que es el objetivo deeste capítulo.
Sobretensiones afrecuencia industrial
Bajo esta denominación defrecuencia industrial se reagrupanlas sobretensiones de frecuenciasinferiores a 500 Hz.
Se recuerda que las frecuenciasindustriales más frecuentes son: 50,60 y 400 Hz.
Sobretensiones provocadas por undefecto de aislamiento (figura 2)
Una sobretensión debida a undefecto de aislamiento se manifiestaen una red trifásica, cuando el neutroestá aislado, o es impedante.
En efecto, después de un defecto deaislamiento entre una fase y la masao la tierra (daño en un cablesubterráneo, puesta a tierra de un
tipo de coeficiente duración pendiente amortiguamientosobretensión sobretensión del frente(causa) MT-AT frecuencia
a frecuencia ≤ 3 larga frecuencia débilindustrial > 1 s industial(defecto aislamiento)
de maniobra 2 a 4 corta media medio(interrupción de 1 ms 1 a 200 kHzcortocircuito)
atmosférica > 4 muy corta muy elevada fuerte(caída directa del rayo) 1 a 10 µs 1 000 kV/µs
Fig. 1: Características de los diferentes tipos de sobretensiones.
Fig. 2: Sobretensión temporal en una red a neutro aislado de la red, al presentarse undefecto de aislamiento.
VCT
VBTVAT
CBA
defecto a tierra
T
la tensión fase-tierrade las fases sanas esllevada al valor de latensión compuesta:VBT = 3 . VBNVCT = 3 . VCN
VC
VC
N
VB
T
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 6
conductor aéreo por una rama,defectos en el equipamiento, ) lafase afectada se pone al potencial detierra y las otras dos fases quedanentonces, con respecto a tierrasometidas a la tensión compuesta
U = V . 3 .
De forma más exacta, después de undefecto de aislamiento en la fase A,se define como factor Sd de defecto atierra la relación de la tensión defases B y C con relación a tierra, a latensión simple de la red.
La siguiente ecuación permitecalcular este factor Sd:
Sd =3 (k2 + k + 1)
k + 2
cond
0
X
Xk =
siendo X0 la reactancia homopolar yXd la reactancia directa de la red vistadesde el defecto.
A señalar que
n si el neutro está perfectamente
aislado (o sea, X0 = ∞): Sd = 31/2 = 3 .
n si la puesta a tierra del neutro esperfecta (o sea, X0 = Xd): Sd = 1.
n si, como se tiene en general,X0 ≤ 3 Xd : Sd ≤ 1,25.
Sobretensiones en una línea largaen vacío (efecto Ferranti)
Se puede producir una sobretensióncuando una línea de gran longitud esalimentada por una de susextremidades y sin carga en la otra.Ello se debe a un fenómeno deresonancia que se manifiesta poruna onda de tensión de crecimientolineal a lo largo de la línea.
En efecto, con
n L y C designando respectivamentela inductancia y la capacidad total dela línea;
n Us y Ue las tensiones en laextremidad abierta y en la entrada dela línea, el factor de sobretensión esigual a:
=UsUe
1 _
11 . L . C . 2
2
Este factor de sobretensión es delorden de 1,05 para una línea de 300km y de 1,16 para una línea de 500km. Estos valores son sensiblementelos mismos para las líneas de AT yMAT.
Este fenómeno se produce, enparticular, cuando una línea larga esdescargada bruscamente.
Sobretensiones porferrorresonancia
La sobretensión es entonces elresultado de una resonanciaparticular que se produce cuando uncircuito comporta a la vez uncondensador (voluntario o parásito) yuna autoinducción con circuitomagnético saturable (por ejemplo, untransformador). Esta resonanciapuede aparecer, sobre todo, cuandouna maniobra (apertura o cierre de uncircuito) se realiza en la red con un
Fig. 3: Principio de la ferrorresonancia.
u
B
e
O
M N P
i
iC.
- L'. .i
UL = L'. .i
E
ic.
Uc =
L
C
ei
C .
L . . i
i
e
esquema diagrama
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 7
aparato de polos separados, o defuncionamiento no simultáneo.
El circuito representado por elesquema de la figura 3, con unainductancia saturable L y unacapacidad C en serie, facilita lacomprensión del fenómeno. Es ahoraposible dibujar las tres curvas:Uc = f (i), UL = f (i) y(UL - 1/C.ω.i) = f (i);
n la primera es una recta dependiente 1/ C.ω,
n la segunda, una curva quepresenta un codo de saturación,
n y la tercera permite visualizar dospuntos de funcionamiento (O y B)para los cuales la tensión en losbornes del conjunto LC es nula, yotros dos M y P de funcionamientoestable; N es un punto defuncionamiento inestable.
Las tensiones en los bornes de L yde C (punto P) son elevadas. El pasodel punto M al punto P puede serdebido a un transitorio que aumentamomentáneamente la tensión a unvalor superior a E.
Estas sobretensiones (figura 3)hacen aparecer un riesgo deperforación dieléctrica así como unpeligro para los eventualesreceptores en paralelo con C. Perogeneralmente las potencias puestasen juego son bastante reducidas (1/2C.V2, siendo C pequeña) y no sonsusceptibles de dañar más que a losmateriales frágiles. Es el fabricantedel material el que puede evaluar ylimitar este riesgo.
Notas:
La ferrorresonancia, al depender dela variabilidad de L, puede producirseen una banda ancha de frecuencia.
Una demostración análoga puedetenerse en el caso de resonanciaparalelo.
Una carga conectada al circuito juegael papel de una resistencia deamortiguamiento e impide elmantenimiento de las condiciones deresonancia.
Sobretensiones demaniobra
La modificación brusca de laestructura de una red eléctricaprovoca la manifestación defenómenos transitorios. Éstos setraducen, a menudo, por la apariciónde una onda de sobretensión o de untren de ondas de alta frecuencia detipo aperiódico, u oscilatorio, deamortiguamiento rápido.
Sobretensiones de conmutación encarga normal
Una carga «normal» es esencial-mente resistiva, es decir, que sufactor de potencia es superior a 0,7.
En este caso el corte o elestablecimiento de las corrientes decarga no plantea un problema mayor.El coeficiente de sobretensión(relación de las amplitudes de latensión transitoria y de la tensión deservicio) varía entre 1,2 y 1,5.
Sobretensiones provocadas por elestablecimiento o la interrupción depequeñas corrientes inductivas
Este tipo de sobretensión tiene tresfenómenos generadores: lasupresión brusca de la corriente, elrecebado y el precebado.
El esquema de la figura 4 representauna red que alimenta una carga a
través de un interruptor automático ycomporta:
o una fuente de tensión senoidal, deinducción L1 y de capacidad C1,
o un interruptor automático D, nodisociable de sus elementosparásitos Lp1 y Cp1,
o una carga inductiva L2 de la que nopuede ignorarse su capacidadrepartida simbolizada por elcondensador C2,
o por último una inductancia de líneaL0, generalmente despreciable.
n supresión brusca de una corriente
En la ruptura de corrientes dereducido valor, notablementeinferiores a la corriente nominal delinterruptor automático, el arco queaparece ocupa un pequeño volumen.Sin embargo está sometido a unenfriamiento importante, ligado a lacapacidad del interruptor automáticopara cortar corrientes muysuperiores.
De este hecho, el arco se haceinestable y su tensión puedepresentar variaciones relativasimportantes, en tanto que su valorabsoluto se mantiene muy por debajode la tensión de la red (caso del SF6o del vacío).
Estas variaciones de fuerzaelectromotriz pueden generar en lascapacidades vecinas, parásitas o
Fig. 4: Circuito equivalente para el estudio de las sobretensiones provocadas por lainterrupción de corrientes inductivas.
Cp1: Capacidad del interruptor automático
Lp1: Inductancia del interruptor automático
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 8
voluntarias, corrientes oscilatorias(figura 4) de elevada frecuencia: laamplitud de estas corrientes puedellegar a ser no despreciables frente ala corriente 50 Hz y alcanzar el 10%del valor de ésta.
La superposición de la corriente 50Hz y de esta corriente de altafrecuencia en el interruptorautomático va a motivar la existenciade muchos pasos por cero de lacorriente en las proximidades delcero de la onda fundamental de 50 Hz(figura 5).
El interruptor automático pocosolicitado por estas corrientes dereducidos valores es a menudocapaz de cortar al primer paso porcero que se presenta. En eseinstante las corrientes en loscircuitos del generador y de la cargano son nulas. El valor instantáneo yde la onda de 50 Hz al extinguirse elarco es denominada «corriente desupresión brusca», o corriente«arrancada», como dicen losfranceses. Esta supresión bruscadetermina sobretensiones que sonfunción de la naturaleza de lasimpedancias puestas en juego,resistivas o inductivas,esencialmente de la energíaalmacenada en el circuito.
En el caso de pequeñas corrientesinductivas (figura 4), tenemos unacarga que presenta un elevadaindependencia, que en el instante dela extinción del arco, tendrá unaenergía almacenada dada por:
12
. L2 . I2
siendo Is la corriente de supresiónbrusca.
El circuito L2 C2 queda en régimen deoscilaciones libres, pocoamortiguadas, y la tensión de crestaque aparecerá en los bornes de C2vendrá dada, según la hipótesis deconservación de energía, por:
=12
. L2 . I2 12
. C2 . V2.
Si C2 sólo está constituida por lascapacidades parásitas respecto amasa, el valor de V puede tomarvalores peligrosos para los aislantes
presentes en los materiales(interruptor automático, o la carga).
El circuito del generador tiene uncomportamiento equivalente, pero suautoinducción L1, es generalmentemuy inferior y las tensiones queaparecen en los bornes de C1 son,pues, más reducidas.
n el recebado
Se produce cuando el fenómeno desupresión antes explicado ha hechoaparecer entre los bornes delinterruptor automático unasobretensión diferencial que éste nopuede soportar: entonces se produceun arco. Esta explicación elemental ybásica se complica por la presenciade los elementos parásitosprecedentemente citados.
En efecto, después de la ruptura dela corriente y del recebado del arco,sobrevienen simultáneamente tresfenómenos oscilatorios a lasfrecuencias respectivas:
o en el bucle D - Lp1 - Cp1:
1Fp1 =
2 Lp1 - Cp1
es del orden
de algunos MHz;
o en el bucle D - C1 - L0 - C2:
C1 + C21Fp2 =
Lo . C1 . C22 es del
orden de 100 a 500 kHz,
o en el conjunto del circuito
L1 + L21Fm =
L1 . L2 . 5 (C1 + C2)2 es
del orden de 5 a 20 kHz.
Aparecen entonces múltiplesrecebados (hachazos) hasta que laseparación de los contactos, que vaen aumento, los hace imposibles. Secaracterizan por trenes de ondas dealta frecuencia de amplitud creciente.Estos trenes de sobretensiones,aguas arriba y abajo del interruptorautomático, pueden, pues, ser muypeligrosos para los materialesaislantes que llevan los bobinados.
Conviene no confundir estefenómeno con el denominado«reencendido» que corresponde a lareaparición de una onda de corrientea la frecuencia industrial y por tanto aun fallo de la ruptura en el cero de laonda de corriente.
n el precebado
En el curso del cierre de un aparatointerruptor (interruptor, contactor ointerruptor automático) se alcanza uninstante en el que la tensióndieléctrica entre los contactos sehace inferior a la tensión aplicada.
Fig. 5: Supresión de una corriente oscilante de alta frecuencia sobre una corriente defrecuencia industrial.
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 9
Para los aparatos a cierre rápido, conrelación a 50 Hz, el comportamientoes función del ángulo de fase, en elmomento de la maniobra.
Se establece entonces un arco entrelos contactos y el circuito quedasujeto a una impulsión de tensióncorrespondiente a la anulación brutalde las tensiones entre los bornes delaparato.
Esta impulsión puede ocasionaroscilaciones en los circuitosparalelos existentes (descargasoscilantes de capacidades parásitas)así como reflexiones en las rupturasde impedancia y por tanto lamanifestación de corrientes defrecuencia elevada, con relación a 50Hz, a través del arco.
Si la maniobra del aparato es lenta,con relación a este fenómeno, sepueden obtener pasos por cero de lacorriente de arco por superposiciónde la corriente de alta frecuencia y dela corriente de 50 Hz naciente.
La extinción eventual del arco, enfunción de las características de laaparamenta, va entonces a conllevarun comportamiento análogo al quese ha descrito para los fenómenosprecedentes.
Sin embargo, como la tensióndieléctrica entre los contactos vadisminuyendo a medida que secierra, las sobretensiones sucesivasdisminuyen hasta el cierre completo.
Este fenómeno es muy complejo. Lassobretensiones que de él resultandependen entre otros:
o de las características delinterruptor automático, (propiedadesdieléctricas, aptitud para interrumpiruna corriente de alta frecuencia, ),
o de la impedancia característica delos cables,
o de las frecuencias propias delcircuito de carga.
En general, no se puede hacer lapredeterminación de lassobretensiones porque es muy difícilde calcularlas pues intervienenelementos difícilmente cuantificablesy variables de una y otra parte, por loque es necesario un modelomatemático muy preciso de lacámara de ruptura.
Las sobretensiones de precebadoafectan particularmente en AT o MT a
los transformadores en vacío, al serpuestos en tensión, y a los motoresen el arranque (Cuaderno TécnicoSchneider nº 143).
Sobretensiones provocadas pormaniobras en circuitos capacitivos
Por circuitos capacitivos entendemosa los circuitos constituidos porbaterías de condensadores y a laslíneas en vacío.
n puesta en tensión de baterías decondensadores
En el momento de la puesta entensión de baterías decondensadores, a priori sin cargainicial y en el caso de un aparato demaniobra lento, un cebado de arco seproduce entre los contactos de cierreen las proximidades de la cresta dela onda de tensión de 50 Hz.
Aparece entonces una oscilaciónamortiguada en el sistema LC de lafigura 6. La frecuencia de estaoscilación en general es general esnetamente superior a la frecuencia dela red y la oscilación de la tensiónestá sensiblemente centradaalrededor del valor de cresta de 50Hz. El valor de la tensión máximaobservada es entonces del orden dedos veces el valor de cresta de laonda de 50 Hz.
Con un aparato de maniobra másrápido, el cebado no se producesistemáticamente en lasproximidades de la cresta y lasobretensión eventual es pues másreducida.
Si una batería de condensadores sepone en servicio muy poco despuésde ser separada de la red, como aúnconserva una tensión de cargaresidual de un valor comprendidoentre cero y la tensión de cresta de laonda de 50 Hz. El cebado entre loscontactos se produce en lasproximidades de una cresta depolaridad opuesta (cebado del arcobajo una tensión dos veces el valorde la tensión de cresta).
La oscilación antes descrita seproduce con una impulsión inicialdoblada. El valor de la tensiónmáxima observada puede entoncesser próxima a tres veces la tensiónde cresta de 50 Hz.
Por razones de seguridad lasbaterías de condensadores estánsiempre equipadas con resistenciasde descarga que permiten eliminarlas tensiones residuales con unaconstante de tiempo del orden de 1minuto. En consecuencia un factor desobretensión de 3 corresponde acasos muy particulares.
n puesta en tensión de líneas ocables en vacío
El cierre lento de un aparato sobreeste tipo de carga conlleva, tambiénaquí, un cebado del arco en lasproximidades de la cresta de 50 Hz, yel escalón de tensión aplicada a unextremo de la línea o del cable va apropagarse y reflejarse en el otroextremo abierto (anexo 1).
La superposición del escalónincidente y del escalón reflejadoconduce a una sobretensión igual ados veces la tensión aplicada,despreciando los amortiguamientos,y con la hipótesis de que los 50 Hzson asimilables a una continua paraestos fenómenos.
Este tipo de comportamiento, estáligado a las capacidades yautoinducciones repartidas de losconductores considerados; las líneasaéreas presentan, además, unacoplamiento entre fases, todo locual hace la modelización bastantecompleja.
Este fenómeno de la reflexión debetenerse en cuenta sobre todo en laslíneas de transporte (MAT) , a tenorde la pequeña separación relativaentre tensión de servicio y tensión deaislamiento.
Fig. 6: Esquema de principio de uncircuito de maniobra de condensadores.
L
Ce
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 10
n ruptura de circuitos capacitivos
La ruptura de circuitos capacitivospone generalmente pocasdificultades. En efecto, al extinguirseel arco al paso de la corriente porcero, las capacidades quedancargadas, el valor de cresta de laonda de tensión 50 Hz, y la tensiónde restablecimiento entre los bornesdel interruptor se hace según unaonda de 50 Hz. Sin embargo, unsemiperiodo después de la ruptura,el aparato queda sometido a unatensión diferencial igual a dos vecesla tensión de cresta.
Si el interruptor no es capaz desoportar entre los contactos que seseparan esta tensión (apertura aúninsuficiente) se puede producir unreencendido. A éste le siguen, si elcircuito lo permite, (circuitomonofásico o con neutro real) unainversión de tensión en los bornes delos condensadores, llevándolos,como máximo, a una carga detensión de carga tres veces latensión de cresta (figura 7).
La corriente se interrumpe de nuevo yse puede producir un segundoreencendido en el semiperiodosiguiente, bajo una tensión cincoveces la tensión de cresta.
Este comportamiento puede dar lugara una escalada de tensión muyimportante, que puede motivar entrefases y a masa, (cortocircuitos) ydebe ser evitado eligiendo unaaparamenta de corte que no permitatener reencendidos.
Sobretensionesatmosféricas
Las tormentas son un fenómenonatural, conocido por todos,espectacular y peligroso.
En el mundo se producen unas 1000tormentas cada día. En Francia(figura 8) ocasionan cada año un10% de los incendios, la muerte de40 personas y de 20 000 animales, y50 000 cortes de corriente o deteléfonos.
Las redes aéreas son las másafectadas por las sobretensiones ysobreintensidades de origenatmosférico.
Fig. 7: Escalada de la tensión en la separación de un banco de condensadores de redpor un interruptor de maniobra lenta.
Fig. 8: Niveles isoceráunicos de Francia continental (graduado en número medio anualde días de tormenta). (Fuente: Meterología Nacional).
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 11
Una particularidad de los rayos es supolarización: generalmente sonnegativos (nubes negativas y suelopositivo). Aproximadamente un 10%son de polaridad inversa y estosrayos son los más violentos. Aobservar que el frente de onda de latensión del rayo, que las normasaplican, es de 1,2 µs para la tensión y8 µs para la corriente.
Normalmente se distingue entre:
n la caída «directa» del rayo sobreuna línea
n la caída «indirecta» del rayo, siéste cae, en las proximidades de unalínea, sobre una torre metálica, o loque viene a ser lo mismo, sobre elcable de guarda (puesto a tierra, estecable enlaza los vértices de la torres,y está destinado a proteger losconductores activos de los rayosdirectos).
El rayo directo
Se manifiesta por la inyección en lalínea de una onda de corriente devarias decenas de kA. Esta onda decorriente que puede fundir losconductores, al propagarse a una yotra parte del punto del impacto(figura 9) provoca un aumento de latensión U dada por la fórmula
i2
U = Zc .
siendo i la corriente inyectada y Zc laimpedancia homopolarcaracterísticas de la línea (300 a1 000 ohms).
U alcanza valores de varios millonesde voltios, que no son soportablespor ninguna línea. En un punto deésta, por ejemplo en la primera torreque encuentre la onda, la tensióncrece hasta que se produce laperforación en el aire de la distanciade aislamiento (la cadena deaisladores). Según que el cebado deeste arco se haya producido o no(función del valor de la corrienteinyectada en la línea), la onda quecontinúa propagándose después dela torre se denomina cortada o plena.
Para las diferentes tensiones de red,no se tiene un cebado de arco pordebajo de la corriente crítica indicadapor la recta de la figura 10.
Fig. 9: Después de una caída de rayodirecto, la onda de corriente se propaga auna y otra parte del punto del impacto.
Fig. 10: Distribución estadística de lasintensidades del rayo directo eintensidades mínimas de cebado de arcoen función del nivel de tensión de la red.
Fig. 11: Cuando el rayo cae sobre elcable de guarda, el paso de corrienteprovoca un aumento del potencial de lamasa de la torre metálica con relación atierra.
Para las redes de tensión inferior a400 kV prácticamente todas lascaídas de rayos directos implican uncebado de arco y un defecto a tierra.
En efecto, se estima que solamenteun 3% de las sobretensionesdetectadas en las redes públicas deMT francesas de 20 kV, exceden de70 kV y son por tanto imputables acaídas de rayo directas. Además, porel hecho de la atenuación de la ondade tensión a lo largo de supropagación por la línea, lassobretensiones máximas (muy raras)a la llegada a un centro detransformación, o de un edificio seevalúan en 150 kV en MT.
Recordemos que el valor de crestade la onda de rayo en el ensayo delnivel de aislamiento de laaparamenta de 24 kV es de 125 kV.
El rayo indirecto
Cuando el rayo cae sobre una torre, osimplemente en las proximidades deuna línea, se generan en la redsobretensiones importantes.
Este segundo caso, más frecuenteque el rayo directo, puedemanifestarse también peligroso.
n si el rayo cae sobre una torre, osobre el cable de guarda, el paso dela corriente a tierra determina unaumento del potencial de las masas
metálicas con respecto a tierra(figura 11). La sobretensión Ucorrespondiente puede alcanzarvarias centenas de kV
i2
L2
didt
U = R +
i2
L2
didt
U = R +
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 12
siendo R la resistencia a la onda defrente abrupto de la toma de tierra y Lla autoinducción de la torre y/o delconductor de puesta a tierra.
Cuando esta tensión alcanza el valorde la tensión de contorneo de unaislador, se produce un «arco deretorno» entre la estructura metálica yuno o más conductores activos.
Para tensiones de red superiores a150 kV este arco de retorno es pocoprobable. La calidad de la toma detierra de las torres juega un papelimportante.
A partir de los 750 kV, no hayprácticamente ningún riesgo de unarco de retorno, lo que justifica lainstalación de cables de guarda enlas líneas de MAT. Por debajo de los90 kV estos cables no constituyenuna protección eficaz más que en elcaso de que la tierra de las torressea excelente.
n si el rayo cae en las proximidadesde la línea el flujo de energía hacia elsuelo provoca una variaciónextremadamente rápida del campoelectromagnético. Las ondas detensión inducidas en la línea sonsimilares en forma y amplitud, a lasobtenidas por la caída del rayodirecto. Su característica principal essu frente, muy abrupto, (del orden delmicrosegundo) y su amortiguación(aperiódica o no) muy rápida,(características típicas de estasondas según CEI 60: duración delfrente 1,2 µs y duración de lasemiamplitud de la cola 50 µs),
n cuando la onda de tensión de unacaída de rayo alcanza untransformador MT/BT, la transmisiónde tensiones se hace esencialmentepor acoplamiento capacitivo. Laamplitud de la sobretensión asítransmitida, observada sobre el
secundario lado BT, es inferior al10% de la que se tiene en el lado MT(generalmente inferior a 70 kV). Portanto, en las líneas BT lassobretensiones inducidas son, engeneral, inferiores a 7 kV.
Una observación estadística,obtenida por el Comité ElectrotécnicoFrancés, ha demostrado que el 91%de las sobretensiones en losabonados de BT no exceden de 4 kV yel 98% de 6 kV (figura 12). De aquí,por ejemplo, la norma de fabricaciónde los interruptores automáticos deacometida que prescribe una tensiónde choque de 8 kV.
Sobretensiones electrostáticas
Hay otros tipos de descargasatmosféricas. En efecto, si la mayoríade sobretensiones inducidas son deorigen electromagnético, algunas sonde origen electrostático e interesanparticularmente a las redes aisladasde tierra.
Por ejemplo, durante los minutos quepreceden a la caída del rayo, cuandouna nube cargada a un ciertopotencial se encuentra encima deuna línea, ésta toma una carga desentido contrario (figura 13).
Antes de que se produzca la caída delrayo que ha de permitir la descargade la nube, se tiene, pues, entre lalínea y el suelo un campo eléctrico Eque puede alcanzar 30 kV/m, bajocuyo efecto se carga el condensadorlínea/tierra a un potencial del ordende 150 a 500 kV, según la altura de lalínea con relación al suelo.
Existen riesgos de chispas pocoenérgicas a nivel de loscomponentes menos aislados de lared.
Después de la caída del rayo entre lanube y la tierra, al desaparecer elcampo eléctrico, las capacidades sedescargan.
Fig. 12: Reparto estadístico de laamplitud de las sobretensionesatmosféricas, obtenido a partir de doscampañas de observación (183 entre1 973 y 1 974 y 150 en 1 975). De aquí eldesdoblamiento de las curvas.
Fig. 13: Origen de una sobretensiónelectrostática.
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 kV
30
25
20
15
10
5
número desobretensiones
nivel de sobretensión de origen atmosférico
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 13
Las primeras redes eléctricas(Grenoble-Jarrie 1 883) erantecnológicamente muy rudimentariasy a merced de las condicionesatmosféricas, como el viento y lalluvia.
n el viento, haciendo variar lasdistancias entre los conductores, erael origen de cebado de arcos,
n la lluvia favorecía las corrientes defuga a tierra.
Estos problemas han conducido a:
n utilizar aisladores,
n determinar las distancias deaislamiento,
n unir las masas metálicas de losaparatos a tierra.
Definición
La coordinación del aislamiento tienepor objeto determinar lascaracterísticas de aislamientonecesarias y suficientes de losdiversos componentes de las redescon vistas a obtener una rigidezhomogénea a las tensionesnormales, así como a lassobretensiones de origen diverso(figura 14). Su finalidad principal esla de permitir una distribución seguray optimizada de la energía eléctrica.
Para optimizar es necesariocomprender y buscar la mejorrelación económica entre losdiferentes parámetros que dependende esta coordinación:
n coste del aislamiento,
n coste de las protecciones,
n coste de las averías (pérdida de laexplotación y coste de la reparación),teniendo en cuenta susprobabilidades.
Emanciparse de los efectos nefastosde las sobretensiones supone unprimer paso. Para ello es necesarioatacar sus fenómenos generadores,labor que no siempre es simple.
En efecto, si con la ayuda de técnicasapropiadas, las sobretensiones demaniobra de la aparamenta pueden
ser limitadas, en cambio, esimposible actuar sobre las del rayo.
Es pues, necesario localizar el puntode más débil tensión soportada porel cual circulará la corrienteengendrada por la sobretensión, ydotar a todos los otros elementos dela red de un nivel de rigidezdieléctrica superior.
Antes de abordar las diferentessoluciones técnicas (métodos ymateriales) es importante recordar loque es una distancia de aislamiento yuna tensión soportada.
Distancia de aislamiento ytensión soportada
Distancia de aislamiento
Esta denominación reagrupa dosnociones, una de distancia en el gas(aire, SF6, etc) y la otra de la «líneade fuga» de los aislantes sólidos(figura 15):
n la distancia en el gas es el caminomás corto entre dos partesconductoras,
n la línea de fuga es igualmente elcamino más corto entre dosconductores, pero siguiendo lasuperficie exterior de un aislantesólido.
2 La coordinación del aislamiento
Fig. 15: Distancia en el aire y línea de fuga.
Fig. 14: Diferentes niveles de tensionesque se presentan en las redes MT-AT.
a frecuencia industrial< 3
1
de rayo
electrostáticas> 4
4
de maniobra2 a 4
coef
icie
nte
de s
obre
tens
ión
tipos de sobretensiones
distanciaen el aire
distanciaen el aire
líneade fuga
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 14
Estas dos distancias estándirectamente ligadas al afán deprotección contra las sobretensiones,pero sus tensiones soportadas noson idénticas.
Tensión soportada
Difiere, en particular, según el tipo desobretensión aplicada (nivel detensión, frente de onda, frecuencia,duración, ). Además, las líneas defuga pueden estar sujetas afenómenos de envejecimiento,propios del material aislanteconsiderado, que implica unadegradación de sus características.
Los factores influyentes sonprincipalmente:
n las condiciones ambientales(humedad, polución, radiaciones UV),
n las tensiones eléctricaspermanentes (valor local del campoeléctrico).
La tensión soportada de distancia enel gas es función igualmente de lapresión:
n variación de la presión del aire conla altura,
n variación de la presión de llenadode un aparato.
Tensión soportada
En un gas, la tensión soportada deun aislamiento es una funciónexageradamente no lineal, de ladistancia. Por ejemplo en el aire, uncampo eléctrico de tensión eficaz 300kV/m es admisible por debajo de 1 m,pero este puede reducirse a200 kV/m entre 1 y 4 m y a 150 kV/mentre 4 y 8 m. Es necesario tambiénanotar que esta distancia no esprácticamente modificada por lalluvia.
Este comportamiento macroscópicoes debido a la no homogeneidad delcampo eléctrico entre dos electrodosde forma cualquiera y no a lascaracterísticas intrínsecas del gas.
Ésta no sería observada entreelectrodos planos de superficie«infinita» (campo homogéneo).
Las líneas de fuga de los soportesaislantes de barras, deatravesadores de transformadores,de cadenas de aisladores, son
determinadas para obtener unarigidez similar a la distancia directaen el aire entre dos electrodosextremos, cuando están secos ylimpios. Por el contrario, la lluvia ymás la polución húmeda reducennotablemente su tensión soportada.
Tensión soportada a frecuenciaindustrial
En régimen normal, la tensión de lared puede presentar sobretensionesa frecuencia industrial de débilduración (fracción de segundo aalgunas horas, según el modo deexplotación y de protección de la red).La tensión soportada de ensayo afrecuencia industrial, recomendadaen los ensayos de rigidez dieléctricahabituales, de un minuto, esgeneralmente suficiente.
La determinación de esta categoríade características es fácil y losdiferentes aislantes son fácilmentecomparables. Por ejemplo: la figura16 da una comparación de lastensiones de rigidez en el aire y en elSF6 en función de la presión.
Tensión soportada a lassobretensiones de maniobra
Las distancias sometidas atensiones de choque de maniobrareúnen cuatro propiedadesfundamentales siguientes:
n la no linealidad, ya mencionada,de la relación distancia/tiempo,
n la dispersión, que hace que estarigidez deba ser expresada entérminos estadísticos,
n la asimetría (la rigidez puede serdistinta según que la onda sea depolaridad positiva o negativa),
n el paso por un mínimo de la curvade tensión soportada en función de laduración del frente. Cuando ladistancia entre los electrodos crece,este mínimo evoluciona según lasduraciones del frente más y máselevadas (figura 17). Se sitúa, comomedia, alrededor de los 250 µs, loque explica la elección del frente dela onda de choque normalizada(ensayo normalizado según CEI-60:aplicación de una onda de duraciónde frente de 250 µs y de unadirección de semi-amplitud en la colade 2 500 µs).
Tensión soportada a lassobretensiones atmosféricas
En la caída del rayo, la tensiónsoportada se caracteriza por unamucho mayor linealidad que en losdemás tipos de solicitaciones.
Fig. 16: Tensión disruptiva del SF6 y delaire en función de la presión absoluta.
Fig. 17: Curva de mínimos de tensiónsoportada en función de la duración delfrente de onda aplicada con polaridadpositiva.
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 15
Aquí también existe el fenómeno dedispersión, con una tensiónsoportada a la polaridad positiva (lamás aplicada al electrodo máspuntiagudo) menos buena que a lapolaridad negativa.
Las dos simples fórmulas quesiguen, permiten apreciar para lasredes de MAT y MT, las solicitacionesal choque de polaridad positiva 1,2µs / 50 µs de un intervalo de aire:
n 9,1
dU50 =
U50 = tensión para la cual laprobabilidad de la chispa es del 50%.
n 1,2
dU0 =
U0 = tensión soportada
siendo d la distancia de aislamientoen metros, U50 y U0 vienen dadas enMV.
Numerosos estudios experimentaleshan permitido confeccionar tablasprecisas de correspondencia entre ladistancia y la tensión soportada,tomando en consideración diferentesfactores, tales como la duración delfrente de onda y de cola, la poluciónambiental y la naturaleza del aislante.
A título de ejemplo, la figura 18 nosda las variaciones de la tensión U50
en función de la distancia y de laduración de cola T2 para un intervalopunta positiva-plena.
La tabla de la figura 19 indica, porotra parte, la independencia de latensión soportada respecto a laduración del frente de subida.
Principio de lacoordinación delaislamiento
Estudiar la coordinación delaislamiento de una instalacióneléctrica es, pues, definir, a partir delos niveles de tensiones ysobretensiones susceptibles depresentarse en esta instalación, unoo más niveles de protección contralas sobretensiones.
Los materiales de la instalación y losdispositivos de protección sonentonces elegidos en consecuencia(figura 20).
El nivel de protección se deduce delas condiciones:
n de la instalación,
n del ambiente,
n y de la utilización del material.
El estudio de estas «condiciones»permite determinar el nivel desobretensión que podrá solicitar elmaterial durante su utilización. Laelección del nivel de aislamientoadoptado permitirá asegurar que,frente a la frecuencia industrial yfrente a los choques de maniobra, almenos, el nivel de aislamiento noserá nunca sobrepasado.
Frente a la caída del rayo deberárealizarse generalmente uncompromiso entre el nivel deprotección de los pararrayoseventuales y el riesgo de fallosadmisible.
Para dominar bien los niveles deprotección aportados por loslimitadores de sobretensión,conviene conocer bien suscaracterísticas y su comportamiento;este será el objetivo del capítulosiguiente.
Fig. 20: Coordinación de aislamiento: posicionar correctamente el nivel de protección yla tensión soportada de la aparamenta en función de las sobretensiones probables.
Fig. 18: U50 en función del tiempo T2 desemiamplitud en la cola. Intervalo entrepunta positiva y plano: d = 4 - 6 - 8 m.
Fig. 19: Influencia de la duración hasta lacresta sobre la tensión soportadadieléctrica de un intervalo punta positiva -plano, d = 8 m.
Tcr 7 22(µs)
T2 1 400 1 500(µs)
U50 2 304 2 227(kv)
σ 370 217
a frecuencia industrial< 3
1
atmosféricas
aislamiento de laaparamenta MTelectrostáticas> 4
4
de maniobra2 a 4
coef
icie
nte
de s
obre
tens
ión
tipos desobretensiones
niveles deprotección
nivel de tensiónsoportada
explosorespararrayos
sobre-tensioneseliminadas
tensionessoportadas
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 16
Los explosores y pararrayos son losdispositivos utilizados paradescrestar y limitar lassobretensiones transitorias de fuerteamplitud. Generalmente sedimensionan para intervenir en lassobretensiones de la caída del rayo.
Los explosores
Utilizados en MT y AT se colocan enlos puntos de la red particularmenteexpuestos y a la entrada de losCentros de Transformación MT/BT.Su papel es el de constituir un puntodébil en el aislamiento de la red, conel fin de que un eventual cebado dearco se produzca sistemáticamenteen él.
El primero y más antiguo de losaparatos de protección es el explosorde varillas. Estaba constituido pordos varillas enfrentadas frente afrente, llamadas electrodos, unaunida al conductor a proteger y la otraa tierra.
Los modelos actuales máscorrientes, están basados en elmismo principio pero dispuestos enforma de «cuernos» para prolongar lalongitud del arco y facilitar elrestablecimiento de las cualidadesdieléctricas por desionización delintervalo de cebado inicial del arco yen ciertos casos llegar a la extincióndel mismo.
La distancia entre los dos electrodospermite ajustar el nivel de protección.
Algunos tienen, además, entre losdos electrodos una varilla vertical,destinada a evitar el cortocircuitointempestivo por pájaros y suelectrocución (figura 21).
Este dispositivo es muy simple ybastante eficaz y económico, perosus inconvenientes son numerosos:
n la tensión de cebado presenta unadispersión importante. En efecto,esta tensión depende fuertemente delas condiciones atmosféricas; se hanpodido observar variaciones de másdel 40%;
3 Los dispositivos de protección contra las sobreintensidades
n el nivel de cebado dependetambién de la amplitud de lasobretensión (figura 22);
n el retardo al cebado es tanto máslargo cuanto más débil es lasobretensión.
En estas condiciones es posible queuna onda de choque provoque elcebado en un aparato cuya tensiónsoportada es superior a la de cebadodel explosor a poco que aquelaparato presente en retardo elcebado más débil (por ejemplocables).
Además, después del cebado, laionización entre los electrodos haceque el arco se mantenga alimentadopor la tensión de la red y puede darlugar (en función de la puesta a tierradel neutro) a una corriente de fuga ala frecuencia industrial. Parainterrumpir esta corriente, que defineun defecto franco a tierra, se necesita
Fig. 21: Explosor MT con varillaantipájaros. Ejemplo utilizado en lasredes EDF 24 kV, B ≈ 25 m.
Fig. 22: Comportamiento de un explosor de varillas al choque de la onda de rayonormalizada, en función del valor de cresta.
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 40
100
200
300
400
500
600
700
800
900
característica tensión / tiempo
antes delcebado
después delcebado
kV
µs
puntos de cebado
explosor de varillas e = 350 mmensayos efectuados con onda 1,2 / 50
trazado teórico de la curva de tensión:
electrodo de tierra
varilla antipájaros
soporte del electrodo
aislador deanclado rígido
dispositivo que permite elajuste de B e inmovilizar el electrodo
Ø
45o 45o
B
electrodo de fase
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 17
la intervención de proteccionessituadas a la cabeza de la línea (porejemplo: interruptor automático conreenganche rápido o interruptorautomático en derivación).
Por último el cebado provoca laaparición de una onda cortada defrente abrupto susceptible de dañarlos devanados (transformadores ymotores) situados en susproximidades.
Aunque, aún montados en las redes,los explosores son hoy día, cada vezmás, reemplazados por lospararrayos.
Los pararrayos
Su ventaja es que no presentancorriente de fuga y evitan que la redquede sometida a un cortocircuitofase-tierra y sin tensión después delcebado.
Se han diseñado diferentes modelos:pararrayos a chorro de agua,pararrayos a gas. En las líneas quesiguen sólo presentamos los tiposmás usuales.
Estos son utilizados en las redes ATy MT.
Pararrayos a resistencia variable yexplosores
Este tipo de pararrayos asocia enserie unos explosores y unasresistencias no lineales(varistancias) capaces de limitar lacorriente después del paso de laonda de choque.
Después del paso de la onda decorriente de descarga, el pararrayoqueda sólo sometido a la tensión dela red. Ésta mantiene un arco en elexplosor, pero la corrientecorrespondiente, llamada «corrientede fuga» pasa por las resistenciascuyo valor ahora es elevado. Estohace que la corriente de fuga sea lobastante reducida para no dañar alos explosores y pueda ser cortada alprimer paso por cero de la corriente(extinción natural del arco).
La no linealidad de las resistenciaspermite mantener una tensiónresidual, que se tiene en bornes delconjunto, próxima al nivel de cebado,pues tanto más aumenta la corriente,tanto más se reduce la resistencia.
Se han utilizado diversas técnicaspara la realización de estospararrayos de varistancias yexplosores. La más clásica utilizauna resistencia de carbono de silicio(SiC).
Algunos pararrayos comportanigualmente unos sistemasrepartidores de tensión (divisoresresistivos o capacitivos) y unossistemas de soplado del arco(imanes o bobinas de sopladomagnético).
Este tipo de pararrayos se caracterizapor:
n su tensión de extinción, o tensiónasignada, que es la tensión afrecuencia industrial, más elevadabajo la cual el pararrayos puededescebarse espontáneamente. Estatensión debe ser superior a la máselevada sobretensión temporal afrecuencia industrial susceptible deaparecer en la red,
Fig. 23: Ejemplo de la estructura de un pararrayos ZnO con envolvente de porcelana parala red 20 kV EDF.
brida(aleación de aluminio)
elástico
remache
bloques de ZnO
arandela
separador
pantalla térmica
envolvente deporcelana
resorte de compresión
junta de caucho
dispositivo deestanqueidadprecomprimido
dispositivo desobrepresión
borne de conexión
conducto de evacuacióny dispositivo desobrepresiónen las bridasinterioresy superiores
placa indicadorade fallo
conducto de evacuación
brida
dispositivode cierre con anillo
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 18
n sus tensiones de cebado según laforma de las ondas (frecuenciaindustrial, choque de maniobra,choque de rayo, ),
n su poder de descarga de lacorriente de choque, es decir, sucapacidad de disipación de energía.Se traduce, generalmente, lacapacidad de absorción por laposibilidad de soportar ondasrectangulares de corriente.
Los pararrayos de óxido de Zinc(ZnO)
Están constituidos únicamente porvaristancias y reemplazan, cada vezmás, a los pararrayos a resistenciasvariables y explosores (figura 23).
La ausencia del explosor hace que elpararrayos a ZnO sea continuamenteconductor, pero, bajo la tensiónnominal de la red protegida, estacorriente de fuga a tierra es muy débil(inferior a 10 mA).
Su principio de funcionamiento esmuy simple y se apoya en lacaracterística fuertemente no linealde las varistancias de ZnO.
Esta no linealidad es tal que laresistencia pasa de 1,5 MΩ a 15 Ω,entre la tensión de servicio y latensión con la corriente nominal dedescarga (figura 24).
Estos pararrayos tienen comoventajas mayores su capacidad delimitación y de fiabilidad con relaciónlos pararrayos de carburo de silicio.
Estos últimos años se han aportadoalgunas mejoras, en particular en eldominio de la estabilidad térmica yeléctrica de las pastillas de ZnO pesea su envejecimiento.
Así en 1 989, sobre 15 000pararrayos de este tipo instalados enEDF, después de 18 meses deexperimentación, sólo se hanconstatado dos fallos y lascaracterísticas, verificadas porensayos no habían variado.
Un pararrayos de ZnO se caracterizapor (figura 25):
n la tensión máxima de serviciopermanente;
n la tensión asignada que puedeestar ligada, por analogía con lospararrayos de carburo de silicio, a lacapacidad de soportarsobretensiones temporales;
n el nivel de protección, definidoarbitrariamente como la tensiónresidual del pararrayos sujeto a unchoque de corriente dado (5, 10 ó20 kA, según la clase), onda 8/20 µs;
n la corriente nominal de descarga;
n su poder de soportar una corrientede choque (este traduce la necesidadde soportar ondas largas queimplican una disipación de energíaimportante y no la necesidad deevacuar estas corrientes en laexplotación).
Envolventes
Los pararrayos de óxido de zinc estándisponibles:
n con envolventes de porcelana paracasi todas las tensiones de servicio;
n con envolventes sintéticas (fibra devidrio y resina) para las redes dedistribución.
Esta segunda tecnología, másreciente, permite obtener pararrayosnotablemente más ligeros, menos
frágiles a los actos vandálicos y enlos que los elementos activos esténmejor protegidos contra la humedad,pues están totalmentesobremoldeados. La humedad es enefecto la principal causa de fallosidentificada en los ZnO.
El exterior de estos pararrayos estágeneralmente constituido porpolímeros de silicona asegurando lacapacidad de soportar el ambiente yla reconstrucción de líneas de fugasuficientes.
Estos pararrayos por su constitucióninterna y sus envolventes de siliconason mucho más tolerantes en cuantoa sus posiciones de instalación ypermiten igualmente optimizar lainstación (por ejemplo : montajehorizontal).
Además de las especificacionesEDF, como la HN 65S20 / CEI 99-1,se aplican a los pararrayos diferentesnormas francesas, por ejemplo laNFC 65-100 para los aparatosdestinados a instalaciones de AT.
Fig. 24: Características de dos pararrayos con el mismo nivel de protección 550 kV/10kA.
kV de cresta
ZnO
SiC
lineal
100
200
300
400500600
.01.001 .1 1 10 100 1 000 10 000
U
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 19
Fig. 25: Ejemplo de características de unpararrayos ZnO que responde a laespecificación EDF HN 65S20.
En resumen, se justifica que estosdiferentes tipos de pararrayos seanutilizados para la protección de laaparamenta, de los transformadoresy de los cables.
En estos casos la casi totalidad delos dispositivos puestos en servicioson los pararrayos de óxido de zincque van reemplazandoprogresivamente a los explosores devarillas y a los pararrayos de carburode silicio.
Esta evolución busca obtener unamejor precisión de los niveles deprotección, permitiendo ademásgarantizar la coordinación delaislamiento.
El lector interesado en la puesta enobra de los pararrayos puededirigirse al anexo 2.
n tensión máxima 12,7 kVpermanente
n tensión asignada 24 kV
n tensión residual bajo < 75 kVla corriente nominal dedescarga
n corriente nominal de 5 kAdescarga (onda 8/20 µs)
n poder de soportar una 65 kAcorriente de choque(onda 4/10 µs)
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 20
Después de numerosos años laComisión Electrotécnica Internacionalha abordado el problema de lacoordinación del aislamiento en AT.
Dos documentos generales tratan dela coordinación del aislamiento:
n el CEI 664 para el dominio de laBT,
n el CEI 71 para el dominio de la AT.
El CEI 71 está organizado en dospartes, la segunda es una guía deaplicación muy completa.
Las normas «producidas» o sea:
n la CEI 694 «partes comunes parala aparamenta»,
n la CEI 76 «transformadores»,
n la CEI 99 «pararrayos» ,
están en coherencia con la CEI 71 encuanto a las tensiones soportadasespecíficas.
La coordinación delaislamiento AT según CEI 71
Uno de los objetivos de esta norma,que deberá ser aplicada en 1 993, esla explicación y la descomposición delos diferentes coeficientes quepermiten determinar las tensionessoportadas.
Esta determinación favorece labúsqueda de una optimización, o seauna bajada de los niveles de tensiónsoportada.
La CEI 71 propone una modelizaciónconvencional de las solicitacionesreales por formas de ondarealizables en los laboratorios y quehan demostrado una equivalenciasatisfactoria.
Por otra parte, aparecen dospreocupaciones nuevas en estanorma:
n el aislamiento longitudinal (entrelos bornes de la misma fase de unaparato abierto),
n la toma en cuenta de la altitud asícomo del fenómeno deenvejecimiento de las instalaciones.
En este proyecto se distinguen elaislamiento interno, el aislamientoexterno y dos gamas de tensiones:
n el aislamiento interno interesa atodo lo que no está emplazado en elaire atmosférico (aislamiento líquidopara los transformadores, SF6 ovacío para los interruptoresautomáticos);
n el aislamiento externocorresponde a distancias en el aire.
n gama I: de 1 kV a 245 kV incluido;
n gama II: por encima de 245 kV.
Para cada uno de ellos, la puesta enobra de la coordinación delaislamiento es ligeramente diferente.
A cada gama está asociada una tablade tensiones soportadas asignadasnormalizadas. Estas tablas se hanestablecido siguiendo criteriosdiferentes, hasta el presente amenudo empíricos, pero cuyaelección ha sido confirmada, a vecescon algunas reservas, por laexperiencia. En efecto, es innegableque los niveles impuestos, singrandes modificaciones en estosaños, son de hecho aceptados desdeel punto de vista de la seguridad deservicio. Además, el abandonoprogresivo de los explosores, enbeneficio de los pararrayos, permitereducir el margen de seguridad,convertido en excesivo, entre el nivelde protección de los pararrayos y latensión de aislamiento específica delos materiales.
Determinación de los niveles deaislamiento
La norma no indica con precisióntensiones soportadas invariables yválidas en todos los casos, peropermite la realización de estudios decoordinación de aislamiento envarias etapas:
4 Disposiciones normativas y coordinación del aislamiento
Fig. 26: Forma de sobretensiones representativas y ensayos considerados por el proyecto de la norma CEI 71.
clase de baja frecuencia transitoriasobretensión permanente temporal de frente lento de frente rápido de frente muy rápido
forma
100 > Tf > 3 nsgama de formas f = 50 ó 60 Hz 10 < f < 500 Hz 5 000 > Tp > 20 µs 20 > T1 > 0,1 µs 0,3 > f1 > 100 MHz(frecuencia, frente 30 > f2 > 300 kHzde subida, duración) Tt ≥ 3 600 s 3 600 ≥ Tt ≥ 0,03 s 20 ms ≥ T2 300 µs ≥ T2 3 ms ≥ Tt
forma normalizada f = 50 ó 60 Hz 48 ≤ f ≤ 62 Hz Tp = 250 µs T1 = 1,2 µs (*)Tt (*) Tt = 60 s T2 = 2 500 µs T2 = 50 µs
ensayo de tensión (*) Ensayo a frecuencia Ensayo de Ensayo de (*)soportada normali- industrial de corta choque de choquezada duración maniobra de rayo
(*) a especificar por el Comité del producto considerado
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 21
n definición de las relaciones entreel tipo de red y la elección de susaislamientos.
Se trata de establecer lascaracterísticas de las tensionesmáximas permanentes posibles y lassobretensiones temporalesprevisibles en función:
o de la estructura de la red y sutensión nominal,
o del esquema de las uniones atierra del neutro,
o de los centros de transformación yde las máquinas giratorias presentesen la línea,
o del tipo y del emplazamiento de loseventuales dispositivos de limitaciónde las sobretensiones,
y, según las consideracionescomunes a todas las clases desobretensiones definidas por lanorma (figura 26).
Fig. 27: Organigrama de determinación de los niveles de aislamiento asignado o normalizados.
Notas: Entre paréntesis párrafos de la CEI 71, donde el término está definido o la acción descrita
datos a tomar en cuentaacciones a efectuarresultados obtenidos
origen y clasificación de lastensiones aplicadas (§ 3.16)
nivel de protección de los dispositivoslimitadores de tensión (§ 3.20)características del aislamiento
condiciones de ensayo (capítulo 5)factor de conversión deensayo Kt (§ 3.29)tensiones soportadasnormalizadas (§ 4.06 & 4.07)gamas de Um (§ 4.08)
factor de correcciónatmosférico ka (§ 3.26)conjunto del material ensayado (*)dispersión en producción (*)calidad de la instalación (*)envejecimiento en servicio (*)otros factores desconocidos (*)
(+) efectos combinados en un factor de seguridad Ks (§ 3.27)
características del aislamientocriterios de garantía (§ 3.21)distribución estadística (+)imprecisiones en los datos de salida (+)
(+) efectos combinados en un factor de coordinación Kc (§ 3.24)
análisis de la red (§ 4.02)
tensiones y sobretensionesrepresentativas Urp (§ 3.18)
elección del aislamiento que satisfaceel criterio de eficacia (§ 4.03)
tensiones soportadas decoordinación Ucw (§ 3.23)
aplicación de los factores que tienenen cuenta las diferencias entre lascondiciones de ensayo de tipo y lascondiciones de servicio (§ 4.04)
tensión soportada especificada Urw (§ 3.26)
nivel de aislamiento normalizado o asignado: conjunto de Uw (§ 3.32 & 3.33)
elección de las tensiones soportadasnormalizadas (§ 4.05 & 4.09)
Cuaderno Técnico Schneider n° 151 / p. 22
n coordinación de los aislamientosde la red.
Una vez reunidos estos datos, paracada clase de sobretensión, esnecesario determinar la tensiónsoportada de coordinacióncorrespondiente teniendo en cuentala garantía buscada y generalmenteel porcentaje de fallos aceptables delaislamiento. El valor obtenido esespecífico de la red estudiada y de susituación: es la tensión más reducidasoportada a la sobretensiónconsiderada que la red debe tener ensus condiciones de explotación.
Para escoger los elementosconstitutivos de una red debendefinirse sus tensiones soportadasespecificadas.
La determinación de las tensionessoportadas de coordinación consisteen fijar los valores mínimos de latensión soportada de aislamientoque satisfacen al criterio de garantía,cuando el aislamiento está sometidoa las sobretensiones representativasen las condiciones de servicio.
La determinación de las tensionessoportadas específicas delaislamiento consiste en convertir lastensiones soportadas decoordinación en condiciones deensayo normalizadas apropiadas.Esto se realiza multiplicando lastensiones soportadas decoordinación por factores quecompensan las diferencias entre lascondiciones reales de servicio delaislamiento y aquéllas de losensayos de tensión soportadanormalizados.
La elección del nivel de aislamientoasignado consiste en seleccionar laserie de tensiones soportadasnormalizadas más económicas,suficiente para demostrar que todaslas tensiones soportadasespecificadas son satisfechas.
El plan de estudio para determinarfinalmente el aislamiento asignadoviene representado en la figura 27.Sobre este plan los dos factores dedispersión de fabricación y de altituddefinidos en el proyecto estánreagrupados bajo el término factorcorrectivo.
Fig. 28: Nivel de aislamiento normalizado para las redes de tensión eficaz comprendidaentre 1 y 245 kV (existe una tabla similar para las tensiones superiores a 245 kV).
tensión más elevada tensión soportada normalizada tensiones soportadaspara el material de corta duración normalizadasUm a frecuencia industrial al choque del rayokV eficaz kV eficaz kV eficaz
3,6 10 20/40
7,2 20 40/60
12 28 60/75/95
17,5 38 75/95
24 50 95/125/145
36 70 145/170
52 95 250
72,5 140 325
123 (185)/230 450/550
145 (185)/230/275 (450)/550/650
170 (230)/275/325 (550)/650/750
245 (275)/(325)/360/395/460 (650)/(750)/850/950/1050
n la tensión soportada asignada onivel de aislamiento es la misma quela tensión soportada especificadapara las sobretensiones que puedenser objeto de ensayo, es decir:
o ensayo a frecuencia industrial,
o ensayo a ondas de choque demaniobra,
o ensayo a ondas de choque derayo,
n los factores de equivalenciapropuestos por la CEI 71 permitengeneralmente no especificar másque dos tensiones soportadas entrelas tres consideradas.
Para tensiones de servicio inferioresa 245 kV el caso más corrienteconsiste en retener el ensayo afrecuencia industrial y el ensayo alchoque del rayo.
n la elección final se hace entre losniveles normalizados (figura 28) apartir de todas las tensionesasignadas.
Un ejemplo
La figura 29 presenta uno de estoscálculos sacado de la guía deaplicación del proyecto de revisión dela publicación CEI 71. Muestra elestudio de coordinación deaislamiento de un Centro deTransformación caracterizado por latensión más elevada para el materialUm = 24 kV.
Este ejemplo trata esencialmente delaislamiento externo, sabiendo que elproyectista de la instalación y de lared está, en general, directamenteenfrentado a los problemas dedimensionamiento de losaislamientos externos. En tanto quegracias a la utilización del SF6 para elaislamiento, y del vacío o del SF6para el intervalo de ruptura, la tensiónsoportada dieléctrica interna estábien determinada y es independientede las condiciones del entorno(condiciones climáticas, altitud, tasade humedad, polución ).
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Niveles de aislamiento asignado aretener:
n 50 kV a frecuencia industrial,satisface la tensión soportadaasignada a las sobretensionespermanentes de baja frecuencia (32kV) y a más del 81% la tensiónsoportada asignada a los transitoriosde frente lento (61 kV porequivalencia),
Fig. 29: Ejemplo de una investigación de coordinación del aislamiento para una red de 24 kV, con material de aislamiento externo(extraído y adaptado del proyecto de revisión CEI 71).
Ejemplo de cálculo: para una tensión soportada de coordinación de frente lento de 59 kV:n tensión soportada especificada de frente lento =
= 59 kV x 1,05 x 1,13 = 70 kV,n tensión soportada asignada a frecuencia industrial de corta duraciónequivalente =
= 70 kV x 0,6 = 42 kV,n tensión soportada asignada a la descarga de rayo equivalente =
= 70 kV x 1,06 = 74 kV.
* Este valor proviene de los criterios siguientes:
n nivel de protección del pararrayos: 80 kV,
n distancia pararrayos material: 8 m,
n coeficiente de seguridad: 1,05
n 125 kV considerada comocompromiso técnico-económico paralos transitorios de frente rápido,implica:
o sea la aceptación de una tasa defallos superior a la que se ha tomadocomo hipótesis,
o sea la asociación de pararrayos enla instalación para asegurar que ella
no será obligada más allá de estenivel.
Para las altas y muy altas tensiones,el proceso de coordinación delaislamiento es el mismo, para losaislamientos del material songeneralmente calificados por sustensiones soportadas al choque demaniobra y el del rayo.
tensión soportada asignada a frecuencia industrial al choquek V de corta duración del rayo
tensión soportada asignada 74 108 141al choque del rayo
factor de equivalencia 1,06 1,06frente lento ⇒ rápido
tensión soportada asignada 28 32 42 61a una sobretensión a frecuenciaindustrial de corta duración
factor de equivalencia 0,6 0,6frente lento ⇒ 50 Hz
tensiones soportadas específicas
tensión soportada 28 32 70 102 141
corrección altitud 1,13 1,13 1,13
factor de dispersión 1,15 1,15 1,05 1,05 1,05
tensiones soportadas de coordinación 24 28 59 86 119*(caso de materiales sometidos a lapresión atmosférica)
sobretensiones de explotación
forma de onda representativa frecuencia industrial sobretensión 250-2 500 µs onda 1,2 - 50 µsconvencional 50 Hz corta duración (1mn) 2% de cebado
amplitud representativa 24 28 59 86convencional (kV) (2,6 p.U.) (3,86 p.U)
categoría de la sobretensión fase/ entre fase/ entre fase/masa ymasa fases masa fases entre fases
temporales a de frente lento de frente rápidofrecuencia industrial (maniobras) (rayo)
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5 Coordinación aplicada al diseño de instalaciones eléctricas
Este estudio es económicamentetanto más importante cuanto máselevada es la tensión de servicio.
Tres criterios justifican estaafirmación:
n el aumento del número de clienteso de la potencia distribuida,
n el aumento del coste de los fallos(coste del material a reemplazar),
n la parte, relativamente más débildel estudio de coordinación en elcoste total de la instalación.
Consecuencias de uncebado de arco
Un fallo dieléctrico (perforación ocebado de un arco) puede provocar:
n el funcionamiento de lasprotecciones en el mejor de loscasos,
n la destrucción de materiales en elpeor de los casos,
n una interrupción de servicio porfallo.
En AT el corte de la alimentación queentonces se tiene puede afectar a unpueblo entero, o una región o a uncentro siderúrgico; ello ocasiona:
n un riesgo de desestabilización dela red,
n una pérdida de facturación deenergía para el distribuidor deenergía,
n una pérdida de producción paralos abonados industriales,
n un peligro para las personas (porejemplo en los hospitales) y para losdatos informáticos.
Para evitar estos accidentes debenefectuarse unos estudios en todanueva instalación.
Éstos permitirán realizacionescoherentes y optimizadas frente a losriesgos.
Una solución es aumentar el nivel deaislamiento de las instalacionesincrementando las distancias deaislamiento.
Pero ello se traduce en un importanteaumento de los costes: doblar lasdistancias motiva multiplicar por ocholos volúmenes y los costes. Elsobredimensionamiento es, pues,inadmisible en AT. De aquí laimportancia de la optimización delequipamiento AT.
En MT
Un defecto de aislamiento en una redde MT tiene consecuencias que, amenor escala, son los mismos queen AT.
Los cortes eléctricos que de elloresultan pueden, también, ser deconsecuencias graves para losdistribuidores de energía (pérdidasde facturación), para los abonadosindustriales (pérdidas de producción)y para las personas (seguridad).
En BT
En la práctica, cuando más baja es latensión de servicio más limitadasson las consecuencias de una faltaen el caso de distribución de energía.Pero el desarrollo de los sistemas yequipamientos electrónicos está enel origen de numerosos incidentesconsecutivos a las sobretensiones.
En efecto, el nivel de tensiónsoportada a las perturbaciones noestá siempre especificado o no estácoordinado con el nivelcorrespondiente a su instalación.
Como estos sistemas interfierenmás y más en la integridad de unainstalación, de una producción, o deuna gestión, las consecuenciaseconómicas para la empresaafectada pueden ser graves.
La coordinación de las «tensionessoportadas» no es puesdespreciable, aún en BT y el
empleo de pararrayos deberágeneralizarse.
Estos son hoy en día muyaconsejables para los abonados BTalimentados por una línea aérea.
Reducción de los riesgos yde los niveles desobretensión
Frente a las diferentessobretensiones examinadas en elcapítulo 1, pueden ser consideradassoluciones simples en los primerosproyectos de la instalación.
Sobretensión debida a laferrorresonancia
El único medio de evitarla totalmentees que 1/C.ω sea superior a lapendiente en el origen de L.ω.i. Sinembargo, otras soluciones son aconsiderar y en particular en MTdonde:
o puede producirse unadiscordancia entre las 3 fases en elcaso de protecciones por interruptorde mando fase por fase; esnecesario buscar la mayorsimultaneidad posible en la conexiónde las 3 fases de la red (aparatoomnipolar);
o la conexión de un transformadoren vacío puede ser el fenómenotransitorio que provoque laferrorresonancia; para evitarlo esnecesario reducir las capacidadesaproximando, por ejemplo, laaparamenta de puesta en tensión deltransformador.
La conexión de una cargapreviamente a la puesta en tensiónes beneficiosa. Ella interviene, enefecto, como una resistencia deamortiguación, pudiendo impedir lapuesta en resonancia.
Poner el neutro a tierra es tambiénuna solución frente a las resonanciasfase/tierra.
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Sobretensiones provocadas por laruptura de corrientes capacitivas
La solución consiste en evitar losreencendidos sucesivosincrementando la velocidad deseparación de los contactos y lautilización de un buen dieléctrico(vacío o SF6).
Sobretensiones provocadas por laconexión de una línea en vacío
Se evitan en las redes de transportepor una puesta en tensión progresiva,obtenida asociando resistencias deinserción en el interruptor automático.
Sobretensiones provocadas por unacaída del rayo
Los medios a poner en obra son detres tipos:
n disposición de cables de guardapara evitar los choques directos(capítulo 1),
n instalación de protecciones en lospuntos sensibles (explosores, opreferentemente, pararrayos),(capítulo 2),
n realización de tomas de tierra debuena calidad (capítulo 1).
La coordinación del aislamientointenta encontrar un justo equilibrioentre la fiabilidad de los materiales,desde el punto de vista dieléctrico,por una parte y de sudimensionamiento, y por tanto sucoste, por la otra parte.
La explicación que se ha hecho eneste documento muestra lacomplejidad de los parámetros queintervienen en este tipo de análisis.
Además, el aspecto estadístico delcomportamiento a lassobretensiones transitorias prohibela pretensión de hallar solucionesabsolutas.
6 Conclusión
Las modelizaciones pretendidaspresentan siempre un carácter hastacierto punto arbitrario en primeralectura, pero han sido validadas porla experiencia.
El lector deseoso de profundizar en eltema puede hallar informacionesmás detalladas en las publicacionescitadas.
Los progresos realizados en elconocimiento de los fenómenospermiten hoy en día conseguir unaacrecentada fiabilidad en lasinstalaciones, autorizando unaoptimización en el plano económico yen el de los esfuerzos en servicio.
La utilización cada vez más frecuentede pararrayos coadyuva a un mejordominio del nivel de protección,especialmente por la mejora de suscaracterísticas y su fiabilidad.
La toma en cuenta de este procesopor la normalización voluntaria, tantoa nivel general como a nivel derecomendación, muestra laimportancia del tema y las ventajasque se pueden encontrar.
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Cualquiera que sea el origen de unasobretensión, ésta se propagará a lolargo de la línea, o del cable queconstituyen la red.
Este soporte de propagación puedeser modelizado haciendo intervenirlos valores por unidad de longitud dela inductancia y de la resistencia ensentido longitudinal y de la capacidady la conductancia en sentidotransversal (figura 30).
La impedancia, en régimen senoidal,viene entonces dada por:
L . + RC . + G
Z =
Con frecuencias elevadas,generalmente asociadas a lassobretensiones, los términosinductivos y capacitivos se hacenpreponderantes y la impedancia,llamada «impedancia característica»viene así dada por:
C
LZc =
Los términos resistivo y conductivo,correspondientes a pérdidas depropagación, entrañan unaatenuación de la onda a lo largo desu propagación.
Las órdenes de magnitud de lasimpedancias características son:
n líneas MAT: 300 a 500 ohms,
n líneas AT (aéreas):aproximadamente 1 000 Ω.
Anexo 1: Propagación de las sobretensiones
La velocidad de propagación espróxima a la de la luz, o sea,alrededor de 3 x 108 m/s. Se puedeigualmente expresar esta velocidadcomo igual a 300 metros pormicrosegundos, lo que da una mejorapreciación del reparto a lo largo delconductor de un frente de onda deduración muy corta (figura 31).
La teoría de la propagación guiadapermite establecer que, cuando unaonda se propaga a lo largo de unconductor alcanza un punto decambio de impedancia, se observauna reflexión y una transmisiónparciales.
Si Zc es la impedancia característicadel primer conductor y Za es la delsegundo, los coeficientes detransmisión y de reflexión vienendados por:
ZcZa
ZcZaRy
ZcZa
Za2T
+
-=
+
=
Los valores límite de estoscoeficientes corresponden a casosfísicos simples:
n Za = 0 (línea cerrada a la masa); latensión en el punto considerado es,pues, nula en todo instante lo quecorresponde a una onda transmitida
nula y una onda reflejada con unfactor - 1.
n Za = Zc (conductor homogéneo), latransmisión vale 1 y la reflexión nula.
n Za = infinito (línea abierta): latensión en el punto de reflexión vienedada por la superposición de la ondaincidente y de una onda reflejada conun factor + 1. Su valor máximo eneste caso será igual a dos veces elvalor de cresta de la onda incidente.Aún cuando no va a haber unapropagación en el medio Za, el valorde la frontera viene siempre dado porT que vale igualmente 2.
Este caso conduce a una exigenciaelevada en el punto de la reflexión yen sus proximidades (proximidadesen el sentido de la reparticiónespacial citada anteriormente).
La expresión «doblado de la onda detensión» a menudo empleada, sepuede prestar a confusión haciendoimaginar que la onda reflejada esdos veces más importante que laonda inicial. Es únicamente en elpunto de reflexión que el valormáximo observado vale el doble delde la onda incidente, pues es elúnico sitio donde la onda incidente yla onda reflejada suman sus crestas.
Fig. 30: Modelización del soporte depropagación. Fig. 31: Representación en el tiempo y en el espacio de una onda de choque de rayo.
L R
C1/G
2 µs
600 kVV
frente: 300 kV/µsevolución enel tiempo
600 m
Vfrente: 1 kV/m
representaciónen el espacio
x (con t constante)
t (con x constante)
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Distancia máxima deprotección
Por el hecho del fenómeno depropagación y reflexión de ondas(anexo 1), los pararrayos limitan lassobretensiones solamente a nivel desus bornes.
La onda descrestada conserva eldv/dt de su frente de subida y essusceptible, por reflexión, dedesarrollar, en el punto de aperturauna tensión doble de la tensión delimitación.
La tensión soportada de laaparamenta, siendo generalmenteinferior al doble de la tensión residualdel pararrayos, determina unadistancia máxima, que no debeexcederse, entre el pararrayos y laaparamenta del centro detransformación.
Ejemplo:
n onda de choque del rayo:300 kV/µs,
n de donde el gradiente de tensiónen la línea al paso del frente desubida vale 1 kV/m,
n centro de transformación MT:tensión soportada al choque 125 kV,
n pararrayos: tensión residual 75 kV.
La exigencia máxima en el puntoabierto será generada por la reflexiónde la cresta de la onda limitada por elpararrayos. Esta exigencia será iguala dos veces esta cresta.
Para respetar el límite de 125 kV delmaterial, el pararrayos debe puesintervenir cuanto más tarde cuando laonda incidente en su emplazamientovalga: 125 / 2 = 62,5 kV (instante T0de la figura 32).
Siendo el nivel de puesta enconducción (si uno lo aproxima alnivel de protección) de 75 kV, laintervención no puede ser obtenidamás que por superposición de laonda incidente y de la onda reflejada.La onda reflejada debe tener un valorde 75 - 62,5 = 12,5 kV.
La diferencia entre el valor incidente62,5 kV y el valor reflejado 12,5 kV, osea, 50 kV corresponde al frente de laonda repartido sobre el trayecto ida yvuelta entre el pararrayos y el puntoabierto. Esta distancia de ida y vueltaes pues, igual a 50 m, o sea, una
Anexo 2: Instalación de pararrayos
distancia de protección máxima de25 m.
Nota
El coeficiente 2 no significa el doblede la tensión de cresta sinosuperposición de la onda incidente yde la onda reflejada (figura 32).
Fig. 32: Propagación y reflexión en presencia de un pararrayos.
Fig. 33: Emplazamiento de los limitadores de sobretensión en los centros detransformación alimentados por una red aérea.
L
si L < 25 m: es suficiente un limitador de sobretensión situado sobre el postesi L > 25 m: es necesario un segundo limitador en bornes del transformador
aparamentapararrayoslocalizaciones:
2 x U0 = exigencia máximaalcanzada a T1 T1 instante más severo
Up = nivel de protección del pararrayos
U0 = valor de la onda incidenteque alcanza el pararrayos a T0
u = valor de la onda refrejada que alcanzael pararrayos a T0(U0 + U = Up inicio de la conducción)
d
tensión
sentido del desplazamientode la onda de rayo
instantesT0 T1 onda a T1
onda a T0
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Cableado de los pararrayos
Después de la intervención delimitación del pararrayos, una ondade corriente va a derivarse, a tierra;esta corriente resulta de la aplicaciónde la onda de tensión a laimpedancia característica de la línea:I = u / Zc.
El circuito de puesta a tierra esentonces el asiento de una caída detensión, esencialmente inductiva, quepuede alcanzar valores importantes.
Ejemplo:
n onda de corriente: 1 kA/µs,
n inductancia del cable de puesta atierra: 1 µH/m,
n de donde se deduce que UL == 1 kV/m.
Si no se quiere que esta tensión seadicione a la tensión residual, esnecesario que frente al «fenómenodel rayo» el material propuesto estéen derivación en los bornes delpararrayos.
En la práctica, esto consiste enrealizar la conexión tal como indica lafigura 33. Si el enlace AT/material nose efectúa sobre el pararrayos, lalongitud del conductor debe ser lomás corta posible (figura 34).
trafo pararrayos
cableado a evitar cableados correctos
Fig. 34: Principio del cableado de los pararrayos: las conexiones cargas-pararrayosdeben de ser lo más cortas posible.
Anexo 3: Las normas eléctricas
Existen 3 niveles de normalización:los tres organismos que se citan acontinuación actúan respectivamentea nivel mundial, europeo y nacional:
Mundial
nnnnn la CEI (Comisión ElectrotécnicaInternacional) produce las normas«CEI»; participan 60 países. Unanorma no es aceptada si frente a ellaencuentra un 20% de opositores. Encada país, su aplicación puede tenerderogaciones.
Europeo
nnnnn CENELEC (Comité Europeo deNormalización Electrotécnica),produce las normas «EN»; reagrupa18 países, en su mayoría europeos.Sus normas votadas son deaplicación obligatoria.
Nacional
nnnnn UTE (Unión Técnica deElectricidad); produce las normasfrancesas «NF».
nnnnn AENOR (Asociación Española deNormalización); produce las normasespañolas «UNE».
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Anexo 4: Bibliografía
Normas
nnnnn CEI 60: Técnica de los ensayos enalta tensión.
nnnnn CEI 71-1: Coordinación delaislamiento: definiciones, principios yreglas.
nnnnn CEI 71-2: Coordinación delaislamiento: guía de aplicación.
nnnnn CEI 99: Pararrayos.
Publicaciones diversas
nnnnn Techniques de l'ingénieur: capítulo«Gaz Isolants».
nnnnn Les propiétés diélectriques de l'airet les très hautes tensions,(Publicación EDF).
nnnnn Principes and procedures of theinsulation co-ordination, KH.WECK.
nnnnn Dimensionnement desparafoudres MT por le réseau EDF(1 988).
A. ROUSSEAU (EDF).
