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domingo, 25 de marzo de 2018

Coordinación del aislamiento: Sobretensiones atmosféricas




 Generalidades

La tierra y la estratosfera, zona conductora de la atmósfera (espesor del orden de 50 a 100 km), constituyen un condensador esférico natural que se carga por ionización, con un campo eléctrico dirigido hacia el suelo del orden de algunos centenares de voltios/metro.

El aire es escasamente conductor, aun así existe una corriente de conducción permanente asociada de 1500 A para todo el globo terrestre. El equilibrio eléctrico está asegurado en las descargas por la lluvia y los rayos.

La formación de nubes de tormenta, masas de agua bajo forma de aerosol se acompañan de fenómenos electroestáticos de separación de cargas: las partículas ligeras cargadas positivamente son arrastradas por las corrientes del aire ascendente y las partículas pesadas cargadas negativamente caen por la acción de su peso. A veces en la base de las nubes durante fuertes lluvias se encuentran zonas cargadas positivamente.

Globalmente a escala macroscópica y en tales circunstancias se crea un dipolo.

Cuando el gradiente límite de resistencia a la ruptura se alcanza, se produce una descarga en el seno de la nube, entre nubes o entre la nube y el suelo. En este último caso se habla de rayo.

El campo eléctrico nube-suelo puede alcanzar 15 a 20 kV/metro sobre suelo plano. Pero la presencia de obstáculos deforma y aumenta localmente este campo de un factor 10 a 100 o incluso 1000 en las formas puntiagudas (fenómeno también llamado “efecto o poder de las puntas”). Se alcanza el nivel de ionización del aire atmosférico en las proximidades de los 30 kV/cm, generándose descargas por efecto corona. Los objetos de gran envergadura (torres, chimeneas, pilones) suelen ser el origen de la caída de rayos directos.

  Clasificación y características de los rayos

Se distingue el rayo por el origen de la descarga (o trazador) y por su polaridad.

Según el origen del trazador el rayo puede ser:

-              Descendiente desde las nubes hacia el suelo en el caso de terrenos planos.
-              Ascendente desde el suelo hacia la nube en el caso de terrenos montañosos

Según la polaridad se distingue el rayo:

-              Negativo cuando la parte negativa de la nube se descarga, representa el 80 % de los   casos en los países templados.
-              Positivo cuando la parte positiva de la nube se descarga.

  Forma y amplitud de la onda del rayo

El fenómeno físico del rayo corresponde a una fuente de corriente impulsional donde la forma real es muy variable: consiste en un frente de subida hasta la amplitud máxima de algunos microsegundos a 20 µs seguida de una cola decreciente de algunas decenas de µs (ver fig. 1)


Figura 1: Oscilograma de una corriente tipo rayo


La amplitud de los rayos varía según una ley de distribución logarítmica. Se determina la probabilidad de sobrepasar una amplitud determinada (ver figura 2). Se observa, por ejemplo, que para la curva media (IEEE), la probabilidad de sobrepasar una amplitud de 100 kA es del 5%. Lo que significa que el 95 % de los rayos tienen una amplitud inferior a 100 kA.


Figura 2: Probabilidad de sobrepasar las amplitudes de los rayos positivos y negativos, según IEEE (estadística experimental)

Igualmente la pendiente del frente escarpado de la onda varía según la ley de distribución logarítmica normal. Se determina la probabilidad de sobrepasar una pendiente de frente dado (ver figura 3). Se observa, que la probabilidad de sobrepasar una pendiente de frente escarpado de 50 kA/µs de un rayo es del 20 %.


Figura 3: Probabilidad de sobrepasar las pendientes de frente escarpado de las corrientes tipo rayo, positivas y negativas, según IEEE (estadística experimental)

●  Forma de onda normalizada

La forma de onda de tensión de choque tipo rayo prescrita por IEC 60060-1es una onda 1,2/50 µs (ver figura 4):

-              Tiempo de subida hasta el valor máximo 1,2 µs
-              Duración del descenso hasta la mitad del valor 50 µs

Figura 4: Forma de onda de tensión de choque de tipo rayo normalizada
 IEC 60060-1, T1=1,2 µs, T2 = 50 µs

●    Nivel Ceráunico

Se denomina mapa ceráunico a un mapa geográfico que representa una zona o país para determinar el nivel de riesgo de rayos.

El nivel de riesgo de rayos, está representado en el mapa ceráunico, por unas líneas de diferentes valores, (líneas isoceráunicas), estas líneas determinan geográficamente las zonas de más o menos riesgo de actividad de rayos (figuras 5 y 6).

Cada línea isoceráunica tiene un valor, y este valor es el resultado de la aparición de días de tormentas por kilómetro cuadrado y por año, donde al menos aparece un solo rayo.

En el mundo, se registran de media 63 millardos de descargas cada año, lo que corresponde a 100 descargas por segundo.

Los valores NC más elevados en el mundo suelen alcanzar 180 en África tropical y en Indonesia.

●  Densidad de fulminación

Se define la densidad de fulminación Ng que representa el número de caídas de rayo por km2 por año, cualquiera que sea su nivel de intensidad.



Td: número de días por año en que se ha oído, al menos una vez, el trueno.
Ng: número de descargas por año y km2


Figura 5: España, mapa de densidad de descargas Ng


Figura 6:  Distribución mundial de rayos desde abril de 1995 a febrero de 2003 a partir de las observaciones realizadas por la NASA 

□   Mecanismo del impacto del rayo

El mecanismo del impacto del rayo comienza con un trazador de una nube que se aproxima a la tierra a pequeña velocidad. Cuando el campo eléctrico es suficiente, una conducción brutal se establece dando lugar a la descarga del rayo.

Un enfoque práctico experimental a permitido establecer la relación que liga la intensidad I del rayo a la distancia entre los puntos de cebado (posición del trazador) y de la descarga (punto de impacto con la tierra):


d: distancia de la descarga, en m.
I : corriente del rayo, en kA.

Aplicando un modelo electrogeométrico a una barra vertical de altura H (ver figura 7-a), se demuestra que se distinguen dos zonas:

·         Zona 1: Esta situada entre el suelo y la parábola p que es el lugar de los puntos equidistantes de H y del suelo; en el instante del cebamiento todo trazador situado en esta zona tocara el suelo por estar más cerca de este que de H.
·         Zona 2: Situada por encima de la parábola: en el instante del cebamiento, todo trazador situado en esta zona será captado por el punto H de la barra ya que la distancia entre H y el trazador es inferior a la distancia del cebamiento d.

Figura 7-a: Representación de las diferentes zonas de protección
ofrecidas por una barra vertical.

Para una corriente del rayo de intensidad I, con una distancia de cebamiento dada, la distancia x entre el punto de impacto al suelo y el punto de fijación al suelo de la barra (llamado radio de captura de la barra) es:


El radio de captura x de la barra es tanto más grande cuanto más intenso es el rayo.

Para pequeñas intensidades. El radio de captura es menor a la altura de la barra que puede convertirse en captadora a lo largo de su longitud, hecho que se verifica experimentalmente.

●   Aplicación de la protección por medio de un pararrayos

Los pararrayos atraen el rayo hacia ellos con el fin de proteger los equipos. Su principio está basado en la distancia de cebamiento: las varillas afiladas están dispuestas por encima de los equipos a proteger, estas están unidas a tierra por el camino más directo (conductores de descenso circundando el edificio a proteger e interconectándolas a la red de tierra).

El modelo electrogeométrico permite determinar la zona a proteger por el método de la esfera ficticia.

El punto de impacto del rayo se determina por el objeto en tierra más cercano de la distancia de cebamiento d del trazador. Todo sucede como si el trazador estuviera envuelto en una esfera ficticia de radio d que se desplaza con él. Para una buena protección, es necesario que la esfera ficticia ruede en el suelo alcanzando el pararrayos sin tocar los objetos a proteger (ver figura 7-b).

De forma aproximada, la protección contra el rayo directo es buena en un cono donde el vértice es la punta del pararrayos y la mitad del ángulo en el vértice es de 45 º.




Figura 7-b: Determinación de la zona protegida por un pararrayos

por el método de la “esfera ficticia”

  Rayo directo (sobre conductores de fase)

Cuando el rayo cae sobre un conductor de fase de una línea, la mitad de la corriente i(t) se reparte por cada lado del punto de impacto y se propaga a lo largo de los conductores. Estos presentan una impedancia de onda Z donde el valor está comprendido entre 300 y 500 Ω. Esta impedancia es la que se observa por el frente de onda, es independiente de la longitud de la línea y de naturaleza distinta de la impedancia a 50 Hz.

Esto da como resultado una onda de tensión:


Que se propaga a lo largo de la línea (ver figura 8).

Figura 8: Descarga de un rayo sobre un conductor de fase.

Según la amplitud de la corriente del rayo, se pueden presentar dos casos:

□  Propagación en onda plena

Si la tensión máxima (Umax = Z · Imáx/2) es inferior a la tensión de cebado Ua de la cadena de aisladores, la totalidad de la onda (plena) se propaga a lo largo de la línea.

□  Propagación en onda cortada

En el caso donde Umax ≥ Ua, en primera aproximación el cebado de los aisladores se produce al valor Ua, produciéndose un defecto fase-tierra a 50 Hz debido, al mantenimiento del arco. La onda del rayo que se propaga será en tal caso cortada al valor máximo correspondiente de Ua.

La corriente del rayo que provoca este cebamiento, en una línea determinada, se le llama corriente crítica IC tal que:

Para las líneas, el orden de magnitud de IC es:

-5,5 kA en 225 kV, que corresponde a una probabilidad del 95 % según IEEE (ver figura 2)
-8,5 kA en 400 kV, que corresponde a una probabilidad del 92 % según IEEE (ver figura 2)

En media tensión, el cebado es sistemático en caso de caída de rayo por las escasas distancias en el aire de las cadenas de aisladores. El contorneamiento de los aisladores genera una corriente de defecto fase-tierra, que se mantiene a la frecuencia industrial de 50 Hz hasta su eliminación por las protecciones.

  Caídas de rayo indirectas (sobre conductores de guarda o torres)

En este caso, la circulación de la corriente del rayo hacia tierra provoca una elevación del potencial de las estructuras metálicas (ver figura 9)

La punta de la torre alcanza un potencial que depende de su inductancia propia L y de la resistencia de tierra R:


K : relación de la corriente derivada en la torre por la corriente incidente.


Figura 9: Descarga de un rayo sobre un cable de guarda

La tensión U puede alcanzar el límite de contorneo a la onda de choque de la cadena de aisladores y provocar su ruptura. Se trata del «cebado de retorno» o «blackflashover». Una parte de la corriente se propaga sobre la o las fases sobre las que se produjo el cebado hacia los usuarios; en general, esta corriente es superior a la de una descarga directa de un rayo.

En muy alta tensión, el cebado de retorno es poco probable (nivel de aislamiento de los aisladores), es por ello interesante la instalación de cables de guarda (limitado número de interrupciones de servicio). Pero, por debajo de los 90 kV, el cebado de retorno se produce tanto por valores bajos de resistencia de tierra  (< 15 Ω); en tal caso, el interés del cable de guarda es limitado (interrupciones de servicio más frecuentes).

□   Descarga inducida

Una descarga de rayo que cae en el suelo se comporta como una fuente de radiación de un campo electromagnético.

La radiación es tanto más importante cuanto más escarpado es el frente de subida de la corriente del rayo.

Para frentes escarpados de 50 a 100 kA/µs. los efectos de este campo se harán sentir a varios cientos de metros, incluso a varios kilómetros.

 El campo magnético H en un punto situado a una distancia r de un circuito recorrido por una corriente I viene dado por la relación:

Este campo crea en los circuitos próximos tensiones inducidas que pueden alcanzar valores peligrosos para el material y las personas.

●  Caso de un bucle

Si consideramos el bucle formado por el cable de alimentación y el enlace de teletransmisión de la figura 10, de superficie S y situada a 100 m del impacto del rayo donde el frente de escarpado de subida de la corriente es de 80 kA/µs.

La tensión inducida viene dada por la relación:

µ0 = 4π · 10-7: Permeabilidad magnética del vacío


De donde:


Aparece por tanto una tensión fase-tierra de 19 kV en el bucle. Esta es de muy corta duración ( ≈ 1µs) pero puede provocar la ruptura de los aislantes.

Para evitar este riesgo, es necesario reducir las superficies de los bucles de los circuitos.


Figura 10: Bucle de circuitos

  Transmisión de la onda de choque en un transformador (IEC 71-2 anexo A)

En las condiciones de una descarga de rayo, el transformador se comporta como un divisor capacitivo de relación s ≤ 0,4. Es equivalente a una capacidad Ct (ver figura 11-a).


                               U1 : Tensión de choque en el borne de alta tensión
                               U0 : Tensión transmitida en vacío

Figura 11-a: Transmisión de la onda de choque en un transformador.

U0 representa la sobretensión en vacío, es decir cuando los bornes de salida del secundario no están conectados a ninguna red. Esta sobretensión no es generalmente tolerada por el transformador.
En realidad, el transformador está conectado a una red de capacidad Cs. Esta juega el papel de divisor de tensión con la capacidad Ct del transformador (ver figura 11-b).



U2 : Tensión transmitida al secundario con una red

Figura 11-b: Transformador con su red equivalente

La tensión transmitida al secundario es:


Los valores de Ct se sitúan generalmente entre 1 y 10 nF. La capacidad de un cable es cercana a 0,4 nF/m. Por lo que, algunas decenas de metros de cable permiten atenuar fuertemente la sobretensión transmitida en el secundario.

En general, la red es suficientemente extensa para que la sobretensión transmitida no de lugar a problemas.

Por el contrario, en el caso de enlaces cortos, por ejemplo un transformador para horno de arco, la sobretensión transmitida puede ser inaceptable para el material del lado de baja tensión.

Para reducir la amplitud del choque transmitido, se puede:

·         Utilizar en el lado de alta tensión autoválvulas con tensión de cebado más baja.
·         Instalar autoválvulas en el lado de baja tensión entre cada fase y tierra
·         Incrementar la capacidad entre cada fase y tierra en el lado de baja tensión.



FUENTES:

Cuadernos Técnicos Schneider Electric: CT 151, CT 168, CT 179



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