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Proteccion contra Sobretenciones

01 Jun 2014

INTRODUCCION

Se llama descargador al dispositivo destinado a proteger los aparatos eléctricos de elevadas tensiones transitorias y a limitar la duración y frecuentemente la amplitud de la corriente subsiguiente.
El termino descargador incluye a todo espinterometro externo en serie que sea escencial para el funcionamiento del dispositivo instalado para el servicio.
Los descargadores modernos son:
– de oxido metálico, oxido de cinc, sin espinterometros en serie.
Los antecesores fueron:
– de oxido metálico, con espinterometros en serie.
– de carburo de silicio, con espinterometros en serie.
– del tipo de expulsión, con cámara para confinar el arco y extinguirlo con el gas que produce el material de la cámara.
– espinterometros en aire, sin ningún tipo de resistores no lineales en serie, solución todavía hoy utilizada.
Los aislantes se dimensionan para soportar la tensión que se presenta en modo permanente, y para soportar por tiempos breves sobretensiones cuya duración esta limitada.
Para simular estas situaciones se somete los aislantes a ensayos, típicos ensayos de aislacion como:
– aplicar tensión a frecuencia industrial durante un minuto.
– aplicar impulsos de tensión de forma 1/50 microsegundos, que representan el efecto de una descarga atmosférica.
Estas pruebas se hacen sobre aparatos de media y alta tensión, sobre equipos de muy alta tensión (mas de 300 kV de tensión nominal) en lugar del ensayo de frecuencia industrial se aplica impulso de maniobra.
Las sobretensiones que pueden presentarse en la red, en orden creciente de magnitud son:
– sobretensiones que aparecen en las tres fases, por sobrevelocidad del generador, o desconexión de cargas, con duración de algunos segundos o minutos.
– sobretensiones que aparecen en las fases sanas, cuando ocurren fallas a tierra, cuya duración esta limitada por la actuación de las protecciones.
– sobretensiones de maniobras que duran algunos ciclos (de frecuencia industrial) y se producen a consecuencia de maniobras de aparatos, especialmente aperturas, aunque en ciertas condiciones también durante los cierres.
Las sobretensiones descriptas son de origen interno de la red, y as¡ se las llama.
También pueden presentarse en las redes expuestas, sobretensiones de origen externo:
– típicas sobretensiones de origen atmosférico, directas o inducidas.
El comportamiento de las sobretensiones es distinto, cuando muy rápidas, como las de tipo atmosférico, se propagan con velocidad, refractándose y reflejándose en los nodos de la red (puntos donde cambia la impedancia característica de las ramas de la red).
En los puntos de reflexión se puede alcanzar hasta el doble del valor original.
Las sobretensiones de mas baja frecuencia en cambio asumen en los distintos puntos valores relacionados con los parámetros de la red.
Eventos que ocurren en distintos puntos de la red eléctrica, producen en otros puntos distintas tensiones, para cada evento se produce en algún punto la tensión máxima.
Los descargadores deben funcionar en la red donde ocurren estos eventos, y actúan modificando el valor de las sobretensiones.
Los descargadores son resistores no lineales, sometidos a una sobretension conducen corriente (que depende de la impedancia de la fuente de sobretension) y limitan el valor de la tensión entre sus extremos.
La corriente que se presenta a consecuencia de una sobretension atmosférica tiene una forma típica de impulso de corriente 8/20 microsegundos (impulso de descarga atmosférica).
También puede haber impulsos de alta corriente, típico 4/10 microsegundos, que simulan descargas extraordinarias (poco frecuentes, y en consecuencia menos probables).
Durante el paso de la corriente de descarga, el valor de pico de la tensión que aparece, se denomina tensión residual (también se la llama tensión de descarga).
La corriente que se presenta a consecuencia de sobretensiones de maniobra tiene una forma típica rectangular…
aspectos teóricos
aplicaciones en alta y media
propagación de sobretensiones

Problema: Selección de descargadores

Selecciónar descargadores de oxido de cinc para un sistema eléctrico de 69 kV, que esta alimentado por líneas aéreas que llegan desde una fuente relativamente lejana (a los fines de este estudio).
Se han calculado las corrientes de falla a tierra (cortocircuitos monofasicos) en distintas condiciones de la red. Obteniendose los resultados siguientes:
Caso A – tensiones en las fases sanas mínimo 57.2 kV máximo 65.3 kV
Caso B – tensiones en las fases sanas mínimo 59.42 kV máximo 61.3 kV
Caso C – tensiones en las fases sanas mínimo 58.6 kV máximo 58.8 kV
La corriente total de falla a tierra supera los 1000 A y el sistema esta puesto a tierra a traves de reactores zig-zag.

Metodologia
En la selección de los descargadores se siguen los pasos indicados en la guía ABB SESWG/A 2300E Technical Information Selection guide for ABB HV surge arresters.

Paso 1 – obtención de los parámetros del sistema
Obtención de la mayor tensión estimada del sistema Um
(Definición; Tensión máxima del sistema Um es la mayor tensión eficaz fase fase que se presenta bajo condiciones normales de operación en cualquier tiempo y punto del sistema)
Se puede estimar en 1.05 * 69 kV = 72,45 kV = aprox. 72,5 kV
Condiciones de falla a tierra:
En la memoria de calculo de cortocircuito, se han estudiado cortocircuitos monofasicos en distintas condiciones de la red.
Estos valores determinan la tensión TOV Sobretension temporaria, que ocurre en las fases sanas cuando hay fallas a tierra, en el caso examinado es:
Tensión máxima 65.3 kV,
También puede presentarse durante fenómenos de ferroresonancia, o en rechazos de carga, que son situaciones no previsibles en el sistema en estudio.
El factor de puesta a tierra se determina a partir de este ultimo valor
ke = 65,3 / (69 / 1,73) = 1,64
Como este valor supera el limite de 1,4 a los fines de las sobretensiones el sistema que se analiza se considera aislado de tierra
La duración de la sobretension depende del tiempo de eliminación de la falla que se considera en sistemas puestos a tierra directamente menor de 10 segundos, en sistemas aislados puede superar 2 horas, y entonces la tensión TOV es la compuesta.
En el caso en estudio la corriente total de falla a tierra supera los 1000 A por lo que su duración debe limitarse al valor previsto de los dispositivos de puesta a tierra (en el caso en examen reactores zig-zag) que es de menos de 10 segundos.

Paso 2 – control de condiciones de servicio anormales
Temperaturas fuera del rango –40 a + 45 grados C.; frecuencias fuera del rango 15 – 62 Hz; fuentes de calor próximas a los descargadores.

Se considera que no se presentan condiciones de este tipo.

Paso 3 – control de otras causas de ocurrencia de TOV
Se considera que no se presentan condiciones de fuera de las indicadas en paso 1.

Paso 4 – seleccionar la tensión de operación continua
La tensión de operación continua Uc es la designada como permisible en valor eficaz a frecuencia industrial que puede ser aplicada continuamente (permanentemente) en bornes del descargador.
Uca = Um / 1,73 = 72.5 kV / 1,73 = 41,91 kV

Paso 5 – seleccionar la capacidad conveniente TOV
La figura 2.3 muestra la capacidad TOV expresada en múltiplos de Ur función de Tr que para 10 segundos es 1,1 con energía previa y 1,14 sin energía previa (este valor depende de marca y modelo de descargador, lo que debe confirmarse una vez adoptado el descargador)
Luego se inicia la selección del descargador:
Selección en base a la tensión preliminar
Uro = Uc / 0,8 = 42 kV / 0,8 = 52,5 kV
Determinación de TOV en base a amplitud y duración de la falla
TOVe = ke * Um / 1,73 = 1,64 * 72,5 / 1,73 = 68,73 kV
Para sistemas efectivamente aislados se adopta:
Ke = 1,73
TOVe = ke * Um / 1,73 = 1,73 * 72,5 / 1,73 = 72,5 kV
Consideración de energía absorbida previa
Ure = TOVe / Tr = 68,73 kV / 1,1 = 62,48 kV para 10 segundos, con energía previa
Selección del valor final
Se selecciona el mayor valor entre Uro y Ure
Ur <= 62,5 kV debiendo adoptarse el valor normalizado 66 kV
Valores adoptados
Aplicación, protección de transformadores y equipamiento en sistemas con sobretensiones atmosféricas y de maniobra.
Los requerimientos de capacidad de energía, contaminación, son moderados

Frecuencia 60 Hz
Tensión del sistema 72,5 kV
Tensión nominal 69 kV
Corriente nominal de descarga 10 kA cresta
Descarga de corriente soportada alta corriente 4/10 microseg.: 100 kAcresta
baja corriente 2000 microseg.: 550 Acresta
Capacidad de energía descarga de línea 2 impulsos 5,1 kJ/kV (Ur)
Prueba de energía nominal 3,6 kJ/kV (Ur)

Datos garantizados:

Ur kVrms 66
Uc kVrms 53
MCOV kVrms 53
TOV capability 1 sec kVrms 76
10 sec kVrms 3
Ures 30 /60 microseg  500 A kVcresta 137
1kA kVcresta 142
8 / 20 microseg. 5 kA kVcresta 165
10 kA kVcresta 176
20 kA kVcresta 196
distancia de fuga (crepage distance) mm 1660 =  22,9 * 72,5 > 20 * 72,5 (medium pollution)
aislacion externa (aislador vacío) LIWL 1,2 / 50 kVcresta 350
60  Hz bajo lluvia (10 seg) kVrms 170