Cuchillas, Fusibles y apartarrayos.docx

8/12/2019 Cuchillas, Fusibles y apartarrayos.docx

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Cuchillas Y Fusibles

Son interruptores que se utilizan ya sea en el lado de alta o de baja tensin, sirvencomo proteccin para el transformador o el equipo asociado ya que puedenseccionarse en caso de emergencia. Este tipo de proteccin se conecta en serie

con el circuito. Existen cuchillas individuales, es decir, una cuchilla para cada fase,y cuchillas de operacin en grupo.

Por la forma en la que operan se pueden clasificar en:

Cuchillas desconectadoras: Este tipo de cuchillas se encuentran sostenidasmecnicamente y pueden operarse ya sea automtica o manualmente. Parareestablecer basta con volverlas a conectar automticamente o bien, con ayuda deuna prtiga.

Cuchillas fusibles: Este tipo de cuchillas abren al presentarse una sobrecorriente. Este tipo de cuchillas tienen internamente un elemento fusible calibradopara que con determinada corriente alcance su punto de fusin e interrumpa elpaso de la corriente elctrica a travs de el. Para reestablecer es necesario reponerel elemento fusible a la cuchilla y volver a conectar. Las cuchillas fusibles son porlo general de operacin unipolar, en caso de fundirse nicamente una fase,nicamente sta es repuesta y no necesariamente se tienen que abrir las demsfases.

APARTARRAYOSLas sobretensiones que se presentan en las instalaciones de un sistema puedenser de dos tipos:

1. sobretensiones de tipo atmosfrico.

2. sobretensiones por fallas en el sistema.

En el estudio que ahora trataremos nos ocuparemos de las sobretensiones de tipoatmosfrico.

Apartarrayos. El apartarrayos es un dispositivo que nos permite proteger lasinstalaciones contra sobretensines de tipo atmosfrico.


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Las ondas que presentan durante una descarga atmosfrica viajan a la velocidadde la luz y daan al equipo si no se tiene protegido correctamente; para laproteccin del mismo se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

1. descargas directas sobre la instalacin

2. descargas indirectas

De los casos anteriores el mas interesante, por presentarse con mayor frecuencia,es el de las descargas indirectas.

El apartarrayos, dispositivo que se encuentra conectado permanentemente en elsistema, opera cuando se presenta una sobretensin de determinada magnitud,descargando la corriente a tierra.

Su principio general de operacin se basa en la formacin de un arco elctricoentre dos explosores cuya operacin esta determinada de antemano deacuerdo ala tensin a la que va a operar.

Se fabrican diferentes tipos de apartarayos, basados en el principio general deoperacin; por ejemplo: los ms empleados son los conocidos como apartarrayostipo autovalvular y apartarrayos de resistencia variable.

El apartarrayos tipo autovalvular consiste de varias chapas de explosoresconectados en serie por medio de resistencias variable cuya funcin es dar unaoperacin ms sensible y precisa. se emplea en los sistemas que operan a grandestensiones, ya que representa una gran seguridad de operacin.

El apartarreyos de resistencia variable funda su principio de operacin en elprincipio general, es decir, con dos explosores, y se conecta en serie a unaresistencia variable. Se emplea en tensiones medianas y tiene mucha aceptacinen el sistema de distribucin.

La funcin del aparterrayos no es eliminar las ondas de sobretensin Presentadasdurante las descargas atmosfricas, sino limitar su magnitud a valores que no

sean perjudiciales para las mquinas del sistema.

Las ondas que normalmente se presentan son de 1.5 a 1 microseg. (Tiempo defrente de onda). La funcin del apartarrayos es cortar su valor mximo de onda(aplanar la onda).


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varillas se conectan a la red de tierras. El mtodo de los pararrayos es que alexistir descargas en la atmsfera, proporcionarles un camino de muy bajaimpedancia a fin de que se garantice que en caso de ocurrir una descarga, sta sevaya a tierra a travs de las puntas y no a travs de otros elementos en dondepudieran ocurrir desgracias que lamentar.

Sobretensiones de origen externo Ya hemos definido anteriormenteeste tipo de sobretensiones . Losfenmenos ms importantes quecabe considerar como productoresde sobretensiones son los siguientes

induccin electrosttica carga progresiva de los

conductores por rozamientodel aire circundante

carga producida por cortardiferentes superficies de nivelelctrico

descargas directas (rayos) induccin producida por

descargas atmosfricascercanas

Todos estos fenmenos provocansobretensiones exteriores, en parte

de naturaleza oscilante y en partecomo ondas de choque. Acontinuacin estudiaremos estosfenmenos y las caractersticas delas sobretensiones que puedenproducir.

Fig. 1 - Curso de la tensin de una onda errante en funcin de tiempo.

Induccin electrosttica

Sabemos que un conductor cargado de electricidad obrainductivamente sobre otro cercano de tal modo que loselementos del primero situados en la proximidad del segundo ycargados con electricidad de cierto signo atraen a los del otro de

signo contrario. Por lo tanto, si tal como se representa en lafigura siguiente , una nube cargada positivamente se aproximaa una lnea elctrica induce en sta, cargas elctricas de signocontrario, es decir, en nuestro caso de signo negativo. Por elmomento todava no hay sobretensiones, ya que la nube seacerca lentamente a la lnea y la carga elctrica del mismonombre, sobre la lnea, queda repelida, evacundose a tierrapor medio. de transformadores de tensin puestos a tierra, de
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las superficies de nivel se deforman y las cargas inducidas en los conductores puedenalcanzar valores importantes. Se han observado diferencias de tensin de 50 a 250 Vpor metro de altura.

Esta causa de sobretensiones es particularmente importante cuando los conductorespasan por las cumbres de montaas, porque en estos sitios las superficies

equipotenciales estn muy prxima, pudiendo haber tensiones a tierra hasta de 10 kV. Estas sobretensiones son de carcter muy parecido a las que hemos estudiado en losdos pargrafos anteriores.

Descargas directas

Se denomina descarga directa o rayo a la que se produce en caso de tormenta entrenube y nube o entre nube y tierra. Est caracterizada por las enormes tensionespuestas en accin, por las elevadas intensidades y por su pequesima duracin.

El origen del rayo no est, ni con mucho, bien estudiado, debido, entre otras causas

porque la rapidez con que se produce este fenmeno hace muy difcil su estudio.Podemos, sin embargo, intentar una explicacin a dicho fenmeno.

La atmsfera contiene siempre iones positivos y negativos; con buen tiempo,predominan los iones positivos. La masa terrestre est cargada negativamente y con elexceso positivo de la atmsfera constituye el campo elctrico del aire.

Las tormentas sobrevienen cuando en la atmsfera se interponen capas de airehmedo entre el suelo y otras capas superiores ms fras, lo que produce corrientes deaire hmedo y caliente violentamente impulsado hacia arriba en remolinos, conenfriamiento y formacin de nubes por condensacin parcial del vapor de aguacontenido en el aire. Parece ser que l a acumulacin de cargas elctricas est causada

por el rozamiento de las gotas de lluvia con el aire de la atmsfera y, en menor grado,por la fragmentacin de las gotas grandes de agua en gotas ms pequeas. De estaforma, el conjunto nube-tierra viene a resultar como las dos placas de un condensadorque se va cargando cada vez ms. Cuando la intensidad del campo elctrico se hacesuficientemente elevada (unos 500 kV/m), el condensador as formado se descargacasi instantneamente, originndose el rayo o descarga directa entre la nube y la tierrao, en otros casos, entre nubes cargadas con distinto signo.

Generalmente, los rayos son negativos, es decir, que se producen en nubes cargadasnegativamente. A causa del elevado campo elctrico, surgen de las nubes descargasprevias en chispas de 10 a 200 m; transcurrido cierto tiempo, el canal luminoso seapaga, aproximadamente durante 0,1 milisegundos y despus se forma la siguienteetapa algo ms profundamente o, en otros casos, ms lejos, hacia tierra, de tal formaque esta descarga previa, transcurrido 1 milisegundo, se prolonga hasta la tierramisma. Inmediatamente se forma la descarga principal que establece la compensacinde cargas elctricas entre nube y tierra.

La forma ms frecuente es el rayo lineal, constituido por una o varias descargasprevias y la correspondiente descarga principal. La descarga previa, llamada tambinrayo preparatorio, se establece con una velocidad media de unos 11.000 km/seg; elrayo principal posee una velocidad de formacin de unos 60.000 km/seg. Del canalluminoso propiamente dicho sale una serie de ramificaciones en forma de descargas en


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haces o descargas en efluvios. Estas ramificaciones son fuertes junto al polo positivo ymucho ms dbiles junto al polo negativo.

El rayo superficial est caracterizado por una mayor duracin de descarga, que alcanzaaproximadamente a 0,1 segundo y no presenta un canal de chispas alargado sinosolamente descargas en haces y en hilos luminosos. Se trata de descargas en bandas,

sobre numerosas gotitas y cristales de hielo de las nubes. Se han observado tambin otros tipos de rayos (esfricos, de collar de perlas, etc ... )pero son muy raros y sin inters especial para nuestro estudio.

Vamos a dar algunascaractersticas tpicas delrayo:

Tensin de las nubestormentosas de 100 a1.000 MV

Campo elctrico parala formacin del rayo= 500 kV/m

Intensidad decorriente de 10 a 50kA(excepcionalmente,hasta 200 kA)

Cantidad deelectricidaddescargada, casisiempre inferior a 1Amperiosegundo,aunque algunas vecesse llega a 20Amperiossegundo.

La corriente desarrollada esuna onda de choque de laforma expresada en la figurasiguiente y que tiene lassiguientes caractersticas:

Duracin del frente:de 1 a 10

microsegundos. Pendiente de

crecimiento: de 5 a12 kA/microsegundo..

Duracin de crestamedia: de 10 a 50microsegundos.

Fig. 3 - Caractersticas de la onda de tensin de una descarga directa .


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El rayo puede deteriorar las instalaciones elctricas de forma directa (rayo directo) ode forma indirecta (rayo indirecto). El caso ms frecuente, y tambin el ms peligroso,de rayo directo es cuando la descarga cae directamente en la lnea. En este caso, lalnea recibe bruscamente una tensin muy elevada, con lo que pueden producirsedescargas a tierra a travs de los postes o del cable de tierra, si se instala esteelemento de proteccin.

La experiencia ha demostrado que si la descarga se produce directamente sobre unposte, ste recibe aproximadamente el 60 % de la corriente del rayo y solamente elresto recorre el cable de tierra o la lnea para repartirse segn se indica en la citadafigura siguiente :

Fig. 4 - Reparto de las corrientes a tierra en una lnea area cuando la descarga directa se produce sobre un poste.

Si la descarga se produce en un vano entre dos postes, el reparto de las corrientes serealiza como est indicado en la figura siguiente :

Fig. 5 - Reparto de las corrientes a tierra en una lnea area cuando la descarga directa se produce en el centro deun vano entre postes.

Por lo tanto, y de acuerdo con lo dicho en el prrafo anterior, la mxima intensidad enun poste alcanza un 60 % de la del rayo. En el caso expresado en la figura 4 se hanregistrado corrientes de poste de hasta 60 kA de valor de cresta. Si se supone, porejemplo, que la resistencia de paso del poste con relacin a tierra es de 20 ohmios,esto exige que el poste soporte un potencial de :

60 x 20 = 1.200 kV

A causa de esta elevadsima tensin, puede suceder que se produzcan descargas deretroceso desde el poste hacia las lneas. Para evitar estas descargas, la resistencia depaso del poste debe ser lo ms reducida posible, de forma que siempre la resistenciade paso del poste a tierra resulte menor que la tensin de descarga superficial porchoque de los aisladores. Por ejemplo, si se utilizan aisladores normales, para unalnea de 110 kV, la resistencia de paso ha de ser inferior de 15 ohmios y, para una


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lnea de 50 kV, inferior de 8 ohmios. Es muy difcil obtener las resistencias dederivacin a tierra francamente bajas, que se necesitan para evitar las sobretensionesindicadas; con los medios de proteccin actualmente empleados, se consiguen desviara tierra hasta un 97 % de las descargas. Entonces, se puede dimensionar la tierra delposte para una corriente de 40 a 50 kA.

Cuando un rayo directo cae sobre un poste de madera, generalmente se producengrietas y resquebrajaduras, con el peligro de que la corriente ulterior de servicio puedahacer que arda el poste.

Cuanto ms seguras son las lneas, ms expuestas estn las estaciones detransformacin a perturbaciones, ya que pasan a ser los puntos ms dbiles de la red.Estas perturbaciones pueden estar originadas por rayos directos o por ondas errantesdebidas a descargas en otros puntos de la lnea. La tensin de la onda incidentecorresponde a la tensin de descarga superficial por choque de los aisladores de lalnea area. Tngase en cuenta que, tal como se dijo al estudiar las ondas errantes , enlas estaciones de cabecera, la onda se refleja y, por lo tanto, se dobla la tensin. Elefecto corona y la resistencia hmica de las lneas amortiguan la onda errante en sucamino por la lnea. Ocasionalmente, tambin se producen descargas directas, con lasconsiguientes averas, en los cables subterrneos, aunque parezca que estnprotegidos por la misma tierra contra los efectos de estas descargas. Sin embargo,estas perturbaciones debidas a rayos se originan solamente en los cables tendidos ensuelos poco conductores; en estos casos, la descarga se propaga a lo largo de laarmadura y de la envoltura de plomo, en busca de los puntos en que la tierra ofreceuna buena conductividad elctrica.

1.5.2.1. Nivel bsico al impulso maniobra

La Punta Pararrayos Energizada debe constar de cuatro elementos fundamentalesque son:yPunta energizada: Varilla energizada con una tensin alterna en el rango de 8KV a 150 kV parapolarizar el aire entre la varilla y la nube en forma cnicainversa, direccionada positiva negativamente de acuerdo a la carga captablede la nube.y

Aislador de media tensin.y

Filtro de Onda:Para llevar a cabo el drenaje permanente de energa, en elaislador soporte de lavarilla energizada se debe instalar un filtro de onda deEnerga transitoria, conformado por nelementos (mnimo tres) de los cuales losintermedios se dejan flotando. De esta manera se debeconfigurar n-1 circuitosR-C paralelos conectados en serie, cuyo objetivo es direccionar solamentelaEnerga de la Descarga Atmosfrica (D.A.). al Suelo Natural (S.N), permitiendoas que la EnergaOperativa siga cumpliendo su trabajo.y

Base en platina de metlica galvanizada de : Sirve de soporte al conjuntodel aislador de mediatensin, la Punta Pararrayos y el electrodo 3 (conectadoa tierra) del Filtro de Onda.V er figura 3.Figura 1.5.2.1.1: Partes de la Punta Energizada
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FILTRO DE ONDA

( 1 ) Elemento Energizado( 2 ) Elemento Flotando( 3 ) Elemento conectado atierra .

1.5.2.2. Nivel bsico al impulso de descargasCuando se produce una sobretensin en una lnea, por ella circula una intensidad del orden de Ka.Para evitar la sobretensin al equipo conectado a la lnea, se ha de w instalar un protector, quederivar hacia tierra, la intensidad generada por la sobretensin sin que esta le afecte. Un protectoracta como un interruptor controlado por tensin. Si la tensin es ms grande que la nominal de lalnea a proteger, el protector pasa a baja impedancia y deriva a tierra. En estado normal elprotector est en alta impedancia y es transparente a la instalacin.

El protector ideal, debera de derivar toda la intensidad mxima generada por la sobretensin, y enlos sus extremos la tensin residual debera de ser ms pequea, que la soportada por el equipo a

proteger. En la prctica no existe un protector que cumpla estos dos criterios.

Conseguir un alto poder de descarga y bajo valor de tensin residual en un mismo protector esirrealizable, por lo que la utilizacin de un nico protector no asegura la total proteccin de lainstalacin donde haya aparatos elctricos muy sensibles. Por este motivo deberemos de instalardos o ms niveles de proteccin, escalonados y coordinados. Un primer nivel ser un protector conun alto poder de descarga (65 Ka/40Ka). El segundo (hasta un tercer nivel en algunos casos)sernprotectores de tensin residual baja, por debajo de los soportados por los aparatos protegidos.Estos protectores es montaran lo ms cerca posible de los aparatos a proteger.


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