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DESCARGADORES EN INSTALACIONES DE MT. (1).
INTRODUCCIÓN
• Las sobretensiones en las redes son el resultado INEVITABLE de las
descargas eléctricas atmosféricas y las maniobras.
• Por razones económicas el aislamiento no puede ser dimensionado para
soportar cualquiera de estas sobretensiones.
• Por tanto el equipo eléctrico debe ser protegido con el objetivo de reducir la
probabilidad de fallas en la aislación a un índice y costo aceptable.
• Los métodos generales utilizados son de dos tipos:
• 1. Direccionando convenientemente la descarga atmosférica inevitable
mediante la utilización de pararrayos (como ya hemos mencionado) teniendo
en cuenta la limitada eficacia de esta herramienta para MT (menor a 36 kV)
• 2. Limitando la solicitación eléctrica de la sobretensión en la cercanía del
equipo eléctrico mediante la utilización de DESCARGADORES DE
SOBRETENSIÓN.
• El objetivo de esta clase son los descargadores de sobretensión aplicable en
los rangos de tensión de la media tensión, equipos cuya función es la de
PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES TRANSITORIAS DE
IMPULSO (NO SOBRETENSIONES DE RÉGIMEN)
DESCARGADORES EN INSTALACIONES DE MT. (2).
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.
• Referencias: Teoría de ondas viajera en circuitos distribuídos (líneas) (ver en
la página de sistemas lineales 2 el archivo teolintx.pdf). Norma IEC 60099.
Norma UTE de descargadores de MT en la página de Normalización de
equipos.
• Los descargadores son equipos que se conectan en general en paralelo (fase
tierra) en la red en las cercanía del equipo o sección a proteger.
• En condiciones normales de tensión de régimen rms y con cierto nivel y
duración de sobretensiones permanentes (rms) el equipo presenta un valor
muy alto de resistencia circulando por el mismo un valor muy bajo a
despreciable de corriente.
• Cuando en el punto de conexión llega un frente de onda de impulso de
tensión (por ej un 1,2/50 μs) el equipo “opera” cuando la tensión alcanza un
cierto valor conveniente (se dice que se “ceba”), bajando radicalmente su
resistencia y derivando la corriente del impulso a tierra (corriente de
descarga) y limitando entre sus bornes un valor adecuado de tensión,
soportable para el equipo protegido, denominada tensión residual.
• Cuando el frente de onda transitoria “pasa” (al cabo de algunos μseg) el
equipos “se restablece” cortando la corriente y volviendo a su condición
inicial de alta resistencia
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TIPOS BÁSICOS DE DESCARGADORES.
• ELEMENTAL: El gap o de explosor. (comentarios generales)
No es capaz de restablecerse, muy económico pero de dudosa
eficacia. Utilizado actualmente para proteger aisladores.
• SPARK-GAP: Dentro de una envolvente aislante se conectan
en serie uno o más explosores con resistencias de Carburo de
Silicio (no lineales). Muy utilizados hasta hace unos años.
Necesita el pasaje por cero de la corriente luego del impulso
para “cortar”.
• OM: Dentro de la envolvente, en base a siliconas, se eliminan
los explosores y la resistencia variable se realiza con Oxidos
Metalicos (OM) resistencias extremadamente no lineales
(varistores). Presentan grandes ventajas en particular el mejor
control de parte del fabricante de la tensión de “cebado” y de la
energía que debe absorber en la descarga (la corriente cae
inmediatamente que la tensión comienza a disminuir).
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PARÁMETROS BÁSICOS
• TENSIÓN CONTÍNUA DE OPERACIÓN (Ucov) Es la máxima tensión rms a
frecuencia nominal que puede aplicarse continuamente entre sus terminales.
• TENSIÓN NOMINAL (Un) Tensión rms a frecuencia industrial de referencia para
la especificación de las características de operación del descargador.
• CORRIENTE NOMINAL DE DESCARGA (Ipn): Valor pico máximo del
impulso de corriente de descarga capaz de soportar el descargador. Se utiliza para
clasificar los descargadores.
• CORRIENTE DE DESCARGA (Id): Corriente pico que circula por el
descargador en el ciclo de descarga. Este valor dependerá de la solicitación a que se
someta el equipo.
• CORRIENTE CONTÍNUA: Corriente del descargador cuando la tensión en
bornes es Ucov.
• TENSIÓN DE PROTECCIÓN (Up): Máxima tensión en bornes cuando circula
Ipn. (ver que la tensión de cebado es menor en un OM).
• TENSIÓN RESIDUAL (Ures): Valor de pico de tensión que aparece entre los
terminales del descargador. (Depende del frente de onda, en particular interesa en
MT el valor al impulso de rayo 8/20)
• SOBRETENSIÓN TEMPORARIA (Utov): Tensión rms a frecuencia industrial
superior a Ucov.
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ESTABILIDAD TÉRMICA.
• Cuando circula una corriente por el descargador se disipará en el mismo una cierta
energía térmica, que dependerá del valor de U aplicada, Id, I y el tiempo t.
• El descargador deberá absorber esta energía y disipar parte de la misma al exterior.
• Se dice que es térmicamente estable si luego de un ciclo de operación de descarga la
temperatura en el interior del mismo decae cuando el descargador queda a Ucov en
condiciones ambientales especificadas.
• Cuando la energía disipada por los discos de OM es superior a la disipada al exterior
por el descargador la temperatura de los discos subirá en forma contínua provocando
la destrucción del equipo. A este proceso se le denomina “embalamiento térmico”.
• Este efecto de estabilidad térmica tiene especial relevancia si se presenta una
sobretensión de régimen Utov (en particular luego de un ciclo de descarga), ya que
según la relación T=Utov/Uco y el tiempo “t” de aplicación puede provocar el
embalamiento térmico y la destrucción del equipo.
• Se presenta esta característica del descargador con las CURVAS T (t) que muestra
el máximo tiempo de duración de una sobretensión de régimen sin que provoque la
destrucción del descargador bajo condiciones dadas de ensayo y Tamb. (usualmente
Tamb=45ºC y dos estados uno sin descarga previa y otro con la descarga nominal
previa. (Estas curvas deben ser tenidas en cuenta al ajustar las protecciones (relé) de
sobretensiones permanentes.)
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ESTABILIDAD TÉRMICA.
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IDENTIFICACIÓN MÍNIMA EN MT.
• Un descargador bajo norma IEC 60099 se identifica por la siguiente información
mínima que debe aparecer en su placa:
• Tensión continua de operación Ucov.
• Tensión nominal
• Frecuencia nominal
• Corriente nominal de alivio de presión (si existe)
• Corriente nominal de descarga (In)
• Fabricante, serie, año de fabricación.
• En MT hasta la clase 36 los pasos de tensión nominal son de a 1 , mientras que para
la clase 72 son de 6.
• Se puede encontrar comercialmente las siguientes corrientes nominales de descarga
en kA: 20; 10; 5; 2,5 y 1,5.
• El costo lo determina la corriente de descarga nominal.
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SELECCIÓN DE UN DESCARGADOR EN MT.
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NIVEL DE PROTECCIÓN: Asumiendo que el descargador se instala “junto” al
equipo a proteger y por tanto la tensión que “verá” el equipo es la residual la
condición se recomienda selección el descargador con una Up tal que:
Up < NBAequipo / 1,25 (el 1,25 es por coordinación de aislación (ya visto) y porque
en rigor la tensión “vista” es mayor a Up dado que siempre hay una distancia entre el
equipo y el descargador (consecuencia de la teoría de ondas móviles).
En estas condiciones deberá ser siempre NBAequipo/Up > 1,25. En el rango de MT
para cada clase hasta la 36 (solo hay uno) todos los descargadores la cumplen, en la
clase 72 hay posibilidades de elegir).
CORRIENTE NOMINAL DE DESCARGA: Suponiendo la condición extrema de
un descargador en “extremo de línea abierta” si llamamos Zc a la impedancia
característica de línea, NBAlínea su NBA entonces la In en kA del descargador se
toma como:
Id 
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2 NBAlinea  Up
Zc
CLASE DE DESCARGA: Indica la capacidad de absorción de energía de los
descargadores y depende crucialmente de la longitud de la línea (explicar), en MT se
toma usualmente clase 1.
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SELECCIÓN DE UN DESCARGADOR EN MT.
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TENSIÓN MÁXIMA DE FUNCIONAMIENTO CONTÍNUO Ucov: Deben
cumplirse dos requerimientos básicos en la selección de Ucov:
A) Ucov debe ser mayor que la tensión contínua a frecuencia nominal de diseño de la
red.
B) TxUcov debe ser mayor que la sobretensión temporaria esperada en bornes del
descargador y su tiempo de duración.
Si llamamos Um la tensión máxima de línea permanente del sistema (clase?) entonces
los valores recomendados para cada sistema eléctrico son:
RED
FASE-TIERRA
NEUTRO-TIERRA
Neutro aislado (NA) s/d
Ucov>Um
Ucov>Um/raiz3
NA despeje instantáneo
Ucov>Um/T(1)
Ucov>Um/(raiz3.T(1))
N a Tierra con ft <1,4
Ucov>(0,8.Um)/T(3)
Ucov>(0,4.Um)/T(3)
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Ejercicio: fundamentar cualitativamente el origen de esta recomendación. (repasar
factor de puesta a tierra visto en Redes Eléctricas)
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DISTANCIA DE PROTECCIÓN.
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De acuerdo con la teoría de ondas móviles cuando un frente de impulso llega a un
circuito abierto la tensión del mismo se duplica.
Por tanto la peor condición será que la sobretensión del circuito abierto será 2
NBAlínea.
Por otra parte sabemos que la tensión en bornes del descargador frente a una onda de
impulso es Up.
Asumamos que un transformador (en vacío) es un circuito abierto.
Entonces si no pongo un descargador frente a un impulso de tensión recibira
2NBAlínea.
Si pongo el descargador exactamente en bornes será Up.
Obviamente como elijo Up<NBAtrafo/1,25 si pongo el descargador en bornes el trafo
no tendrá una solicitación de tensión que no pueda superar y estará protegido.
Pero que pasa si pongo el descargador a una distancia D en metros del trafo?
Entonces se deberá cumplir que:
NBAtrafo > Up+(2SD/v) donde S es la pendiente del frente de onda (kV/μs) y v es la
velocidad de propagación del frente (en m/μs 300 para línea y 150 para cable).
Observemos que cuanto menor sea “D” menor la solicitación de tensión sobre el
trafo.
Ejercicio: Mostrar cualitativamente el fundamento de esta expresión.