Figura 1: Corte de una
autoválvula de ZnO
para líneas de MT
Principio de funcionamiento
La figura 1 muestra que
contrariamente a la autoválvula de resistencia variable con explosor, la
autoválvula de óxido de zinc (ZnO) está constituida únicamente por una
resistencia variable fuertemente no lineal.
La resistencia pasa de 1,5
MΩ a la tensión de servicio (que corresponde a una corriente de fuga inferior a
10 mA) a 15 Ω durante la descarga.
Después del paso de la
corriente de descarga, la tensión en los bornes de la autoválvula es igual a la
tensión de la red. La corriente que atraviesa la autoválvula es muy baja y se
estabiliza en torno al valor de la corriente de fuga a tierra.
La fuerte no linealidad de
la autoválvula de ZnO hace que una fuerte variación de corriente provoque una
baja variación de tensión (ver figura 2).
Por ejemplo, cuando la
corriente se multiplica por 107, la tensión se multiplica solo por
1,8.
SiC : Autoválvula con
explosor y resistencias de carburo de silicio
ZnO : Autoválvula de óxido de zinc
Figura 2: Características de dos autoválvulas
con los mismos
niveles
de protección 550 kV/10 kA
Características
Las autoválvulas ZnO se caracterizan por:
- La tensión de régimen permanente que es el valor específico admisible de
la tensión eficaz a frecuencia industrial que puede ser aplicada de manera
continua entre los bornes de la autoválvula.
- La tensión asignada que es el valor máximo de la tensión eficaz a
frecuencia industrial admisible entre sus bornes para la cual la autoválvula
está prevista para funcionar correctamente en las condiciones de sobretensión
temporal definida en los ensayos de funcionamiento (una sobretensión a
frecuencia industrial de 10 segundos se aplica a la autoválvula – IEC 60099-4).
- El nivel de protección definido arbitrariamente como la tensión residual
de la autoválvula cuando es sometida a un choque de corriente dado (5, 10 ó 20
kA según la clase), de forma de onda 8/20 µs.
-
La resistencia al choque de corriente de frente escarpado (1 µs), del
rayo (8/20 µs), de larga duración, de maniobra.
-
La corriente nominal de descarga.
La tabla 1 da un ejemplo de
características de una autoválvula ZnO fase-tierra para una red de distribución
pública de 20 kV (con desconexión al primer defecto).
Tensión máxima permanente
(fase-tierra)
|
12,7 kV
|
Tensión asignada
|
24 kV
|
Tensión residual a la
corriente nominal de descarga
|
< 75 kV
|
Corriente nominal de
descarga (onda de 8/20 µs)
|
5 kA
|
Resistencia a la
corriente de choque (onda de 4/10 µs)
|
65 kA
|
Tabla 1: Ejemplo de características de una autoválvula ZnO para una red de 20 kV.
Elección de autoválvulas de óxido de zinc en AT
El método general de
elección de una autoválvula de óxido de zinc en AT consiste en determinar sus
parámetros característicos a partir de los datos de la red en el lugar donde va
a ser instalado.
Los parámetros que
caracterizan la autoválvula son:
-
UC, tensión de régimen
permanente
-
Ur, tensión asignada
-
Ind, corriente nominal de
descarga
-
Clase de descarga y capacidad energética
-
Características mecánicas
Los datos relativos a la red son:
-
Um , tensión
más elevada para el material
- TOV (Temporary
Over Voltage), sobretensiones temporales (aparecen durante un defecto a tierra
o descarga en la red de distribución pública).
La elección de la
autoválvula consiste en un compromiso entre los niveles de protección de los
equipamientos y la capacidad energética de la autoválvula.
El nivel de protección debe
ser lo más bajo posible para la resistencia del equipamiento. Esto implica un
dimensionamiento en tensión lo más pequeño posible, por lo tanto mayor
dificultad para soportar las sobretensiones temporales.
Determinación de UC
y Ur
● Método simplificado a partir de
las características del material
Las tensiones UC y Ur pueden ser determinadas directamente a partir de la
tensión más elevada para el material Um:
●
Método más preciso a partir de
las sobretensiones temporales
El método simplificado es
penalizante porque no tiene en cuenta las solicitaciones reales de la red que
son generalmente inferiores a
Las sobretensiones temporales
susceptibles de aparecer en una red son de dos tipos:
-
Las sobretensiones en un defecto fase-tierra donde
el tiempo de eliminación depende del plan de protección (el factor de
sobretensión a tierra es igual a 1,73 para las redes con neutro aislado o
puesto a tierra por impedancia).
-
Las sobretensiones durante una descarga en la red
de distribución pública, del orden del 15 % pero puede llegar hasta el 35 % en
ciertas redes.
El valor de la sobretensión temporal
a tener en cuenta es el producto de los factores de sobretensión de defecto a
tierra y de descarga.
-
Caso
particular
Si las sobretensiones temporales
duran más de 2 horas, se admite que es un régimen permanente para la
autoválvula y por lo tanto se elige UC
igual a esta sobretensión y
-
Caso
general
La capacidad de una
autoválvula para soportar las sobretensiones temporales se da en función de una
tensión equivalente de duración 10 segundos (U10s) expresados por la ecuación siguiente:
T : duración de la sobretensión
TOV : valor de la sobretensión
Esta fórmula permite calcular para
cada sobretensión temporal, la sobretensión de duración 10 segundos que
provocaría los mismos esfuerzos en la autoválvula.
La duración de la sobretensión
temporal debe estar comprendida entre algunos segundos y dos a tres horas (U10s = 0,97 · TOV para T = 2s
y U10s = 1,14 · TOV para T
= 2 horas).
La tensión asignada de la autoválvula
será elegida superior o igual al valor máximo de las tensiones equivalentes de
duración 10 segundos: Ur ≥ max(U10s).
Se tomará
□
Corriente nominal de descarga Ind
En la práctica, para la gama de
tensión 1 kV ≤ Um ≤ 52 kV,
se disponen de dos valores de Ind :
5 kA y 10 kA.
El valor Ind = 10 kA es elegido para las zonas de fuerte nivel
ceráunico.
□ Clase de descarga y capacidad
energética
Son determinadas por la experiencia o
por comparación con proyectos similares.
□
Características mecánicas
Las normas IEC 60099-4 y 60099-5
fijan el límite de presión admisible (expresada en “kA”) que debe ser
verificado para cortocircuitos trifásicos en bornes de la autoválvula.
Se verificaran igualmente las
características de la autoválvula con relación a:
-
La temperatura ambiente
-
La altitud
-
El nivel de polución
-
La resistencia mecánica al viento, las limitaciones sísmicas, la
escarcha.
□ Nivel de protección de la
autoválvula
El nivel de protección de
la autoválvula en el punto de instalación corresponde a la tensión residual (Ursd) en sus bornes cuando es
recorrido por la corriente nominal de descarga.
Instalación de autoválvulas AT y MT
En las redes eléctricas de
AT y MT, las autoválvulas se instalan a la entrada del Centro o Subestación
para asegurar la protección del transformador y sus equipos. Esta protección no
será eficaz si no se cumplen las distancias de protección y las reglas de instalación.
■ Distancias
de protección
El fenómeno de propagación
de las ondas publicado en este blog en el post denominado “Propagación de
sobretensiones en redes aéreas y subterráneas” muestra que en el punto de
reflexión (transformador MT/BT por ejemplo), la sobretensión alcanza el doble
de la onda incidente.
La autoválvula descarga a
una tensión de cebado Ursd
(igual a la tensión residual para las autoválvulas ZnO).
Si la autoválvula está
situada a una distancia elevada, la tensión máxima al nivel del material a
proteger será de 2 Ursd.
Ahora bien, la tensión al choque del material es generalmente inferior a 2 Ursd.
Para paliar este
inconveniente, se instala la autoválvula a una distancia inferior a la
distancia de “protección” D. La
autoválvula es sometida entonces a la suma de la onda incidente y de la onda
reflejada, cebándose para una onda incidente inferior a Ursd.
Suponiendo que en el punto
de conexión del material, la onda es totalmente reflejada, se demuestra que la
sobretensión al nivel del material es limitada a
: pendiente del frente de subida de la onda de tensión, kV/µs
v :
velocidad de propagación de la onda, m/µs
Para una resistencia al
choque tipo rayo de Ucdf,
será necesario que la autoválvula se sitúe a una distancia D tal que:
De donde:
Aplicación numérica
Consideramos el ejemplo ilustrado de
la figura 3:
Ucdf = 125 kV ,
caso de un transformador MT/BT
conforme a IEC 60076.3
Ursd = 75 kV ,
tensión residual de la autoválvula
r = 300 kV/µs , pendiente del
frente de subida de la onda de tensión
v = 300 m/µs ,
para una línea aérea
Se tiene entonces:
La autoválvula debe ser instalada a
menos de 25 m del transformador para que la sobretensión no sobrepase el valor
de su resistencia al choque del rayo.
Figura 3: Distancia de protección de una autoválvula
protegiendo un transformador alimentado por una línea aérea
Disponible en pdf en la siguiente
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