El nivel de protección al impulso de rayo (Upl) y el de maniobra (Ups) son los valores con que un pararrayos entra en la coordinación de aislamiento. En un pararrayos de óxido metálico sin explosores, Upl es la tensión residual máxima a la corriente nominal de descarga, y Ups la tensión residual máxima a los impulsos de corriente de maniobra especificados.
Respuesta corta
El nivel de protección de un pararrayos es el valor de tensión que se compara con la tensión soportada de los equipos que protege. Hay uno para rayo, Upl, y otro para maniobra, Ups. En un pararrayos de óxido metálico sin explosores, Upl es la tensión residual máxima a la corriente nominal de descarga y Ups es la tensión residual máxima a los impulsos de corriente de maniobra especificados. En un pararrayos con explosores, el nivel de rayo es el mayor entre la tensión de cebado máxima con impulso de 1,2/50 µs y la tensión residual máxima a la corriente nominal de descarga.
Qué dispositivos considera la norma
IEC 60071-2 considera dos tipos de pararrayos normalizados:
- De resistencia no lineal con explosores en serie.
- De óxido metálico sin explosores. Su definición y características están en IEC 60099-4 (la edición de 1996 de IEC 60071-2 la cita como IEC 99-4). Es la tecnología que se explica en descargador de sobretensiones.
Los explosores abiertos en el aire se tratan como alternativa. Aunque no hay norma IEC para ellos, la norma indica que se han usado con resultado en algunos países de actividad de rayos moderada, hasta 420 kV. Normalmente no se aplican en sistemas de 123 kV o más. Sus características de tensión y tiempo, la dispersión de la tensión de cebado y la dependencia de la polaridad las debe entregar el fabricante o establecerlas el usuario.
Cuando se usa otro tipo de dispositivo de protección, su desempeño debe darlo el fabricante o establecerse por ensayos.
La elección entre dispositivos depende de factores como la importancia del equipo y las consecuencias de interrumpir el servicio.
Nivel de protección de rayo, Upl
Es el valor que se compara con la tensión soportada de impulso de rayo del equipo.
| Tipo de pararrayos | Cómo se toma Upl |
|---|---|
| Resistencia no lineal con explosores | El mayor entre la tensión de cebado máxima con impulso 1,2/50 µs y la tensión residual máxima a la corriente nominal de descarga elegida |
| Óxido metálico sin explosores | La tensión residual máxima a la corriente nominal de descarga elegida |
La norma advierte que esta evaluación da una aproximación generalmente aceptable. Para una definición más precisa se debe consultar la norma del propio pararrayos.
Tradicionalmente se incluía también la tensión de cebado en frente de onda dividida por 1,15. Esa alternativa se omitió, porque el factor 1,15 solo se justifica técnicamente para aislamiento papel-aceite o inmerso en aceite, como el de los transformadores. Aplicarlo a otros equipos puede reducir el margen de aislamiento.
En los pararrayos de óxido metálico, la protección también se describe con la tensión residual con impulso de corriente empinado. Pero para la coordinación de aislamiento se toma la tensión residual máxima a la corriente nominal de descarga.
Nivel de protección de maniobra, Ups
Es el valor que se compara con la tensión soportada de impulso de maniobra.
| Tipo de pararrayos | Cómo se toma Ups |
|---|---|
| Con explosores | La tensión máxima de cebado con las formas de impulso de maniobra que especifica la norma del pararrayos. Si hay explosores activos, la tensión total durante la descarga puede ser más alta y debe pedirse al fabricante |
| Óxido metálico sin explosores | La tensión residual máxima a los impulsos de corriente de maniobra especificados |
Los pararrayos de óxido metálico sin explosores, y los de explosores especialmente diseñados, sirven para proteger contra sobretensiones de frente lento en sistemas con sobretensiones temporales moderadas. Los de resistencia no lineal con explosores solo actúan contra sobretensiones de frente lento en casos extremos, por la característica de cebado del explosor. Como regla general, los de óxido metálico limitan la sobretensión fase-tierra a aproximadamente el doble de su tensión asignada.
Cómo entra el nivel de protección en la coordinación
El valor máximo supuesto de la sobretensión representativa de frente lento fase-tierra es el nivel de protección de maniobra del pararrayos. Entre fases es el doble de ese nivel, o el valor de truncamiento entre fases del anexo D de la norma, el que sea menor. Si se necesitan niveles más bajos entre fases, hay que instalar pararrayos entre fases.
Para el rayo, la protección depende de la amplitud y la forma de la sobretensión, de la característica de protección del pararrayos, de la corriente que lo atraviesa, de la impedancia de onda o capacitancia del equipo, de la distancia entre pararrayos y equipo, incluidas las conexiones a tierra, y del número y la impedancia de onda de las líneas conectadas. Las características de protección solo valen en el sitio del pararrayos. Cuanto más lejos está del equipo, menos lo protege. Ese efecto crece con la distancia.
Para rayo se aplican normalmente pararrayos con corriente nominal de descarga de 5 o 10 kA en rango I y de 10 o 20 kA en rango II. Si se esperan corrientes mayores que la nominal, hay que verificar que las tensiones residuales correspondientes sigan dando una buena limitación. Para la energía absorbida basta normalmente suponer que la sobretensión de rayo que llega tiene la amplitud de la tensión soportada de impulso de rayo negativa al 50 % de la línea aérea.
Qué pasa con las sobretensiones temporales
Normalmente la tensión asignada del pararrayos se elige con la envolvente de las sobretensiones temporales previsibles y con su capacidad de disipar energía. El ajuste es más crítico en rango II, donde los márgenes son menores. La capacidad de energía bajo sobretensión temporal la entrega el fabricante como una característica de amplitud y duración. Las causas de estas sobretensiones son la falla a tierra, el rechazo de carga, la resonancia y la sincronización.
La resonancia no se usa para escoger la tensión asignada del pararrayos, salvo que las medidas para evitarla no basten.
Qué se verifica en campo
En servicio, el estado de un pararrayos de óxido metálico se vigila con la medición de la corriente de fuga, que se describe en prueba de corriente de fuga en pararrayos.
Para ampliar el tema, vea Distancia de protección de un pararrayos a los equipos, Sobretensiones de rayo en una subestación y Método determinista de coordinación de aislamiento.
Cuándo llamarnos
Si debe elegir pararrayos para una subestación nueva, comprobar el margen entre su nivel de protección y el aislamiento de los equipos o revisar un pararrayos instalado, hacemos su estudio de coordinación de aislamiento y le cotizamos el alcance. El estado del pararrayos en servicio se verifica con pruebas de campo.
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Referencias
- IEC 60071-2 (edición 1996), Insulation co-ordination — Part 2: Application guide, cláusulas 2.2, 2.3.2.7, 2.3.3.7 y 2.3.4.5.
- IEC 60099-4, Surge arresters - Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems, citada por IEC 60071-1:2006 (en IEC 60071-2:1996 aparece como IEC 99-4).
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre Upl y Ups?
Upl es el nivel de protección frente a sobretensiones de frente rápido, de rayo, con impulso 1,2/50 µs. Ups es el nivel frente a sobretensiones de frente lento, de maniobra. Cada uno se compara con la tensión soportada del equipo de su misma clase.
¿El pararrayos limita las sobretensiones temporales?
En la práctica no. Debe soportarlas por su tensión asignada y por su característica de amplitud y duración, que da el fabricante. La excepción son las causadas por resonancia, donde un pararrayos puede limitarlas si se estudia con cuidado el calentamiento que le imponen.
¿Qué corrientes nominales de descarga se usan?
Para protección contra rayo se aplican pararrayos de 5 o 10 kA en sistemas de rango I y de 10 o 20 kA en rango II. Si se esperan corrientes mayores que la nominal, hay que verificar que las tensiones residuales correspondientes siguen limitando bien la sobretensión.