Giuliano david bozzo coordinacion de aislaciones-

1. Protección de los conductores de una línea contra la
caída directa de rayos
-Medida de la severidad de las tormentas eléctricas
-Nivel ceráunico Ni :
5 a 30 en país templado como Chile o Francia
100 (Florida USA)
hasta 180 (regiones tropicales de Africa e Indonesia
-Densidad de golpes de rayo a nivel del suelo Ns= Ni/7 (Francia)
-Dispositivos de medida

2. Clasificación de los golpes de rayo
-Golpes de rayo negativos descendentes (80 a 90 %)
-Golpes de rayo negativos ascendentes
-Golpes de rayo positivos descendentes
-Golpes de rayo positivos ascendentes

3. Modelo electrogeométrico
-Se basa en los golpes de rayo negativos descendentes
-Se inician con una predescarga desde la nube llamada trazador
a saltos (desde su parte inferior que es negativa)
-El trazador avanza hacia el suelo
-Cuando se acerca suficientemente al suelo o a un objeto conectado
a tierra se produce la descarga de rayo
-La distancia de descarga : d = 9.4 I 2/3
I (kA) d(m)

4. Definición de corriente crítica
-Sobretensión U provocada por un golpe de rayo de corriente
presunta I sobre una línea:
U = Z*I/2
Z: impedancia de onda del conductor impactado
-Si U< Usr la sobretensión no provocará falla de la aislación
Usr : tensión soportada con impulso de rayo de la línea
-Definición de corriente crítica : Ic = 2 Usr / Z
-Los cables de guardia deben interceptar sólo las corrientes
mayores a Ic

5. Cálculo de la corriente crítica
-Z = 60 Ln ( 2 Ym / ρ eq )
n:número de conductores elementales de un haz
-R: radio geométrico del haz (cm)
−ρ eq : radio de un conductor (cm)
-Ym : altura media de los conductores sobre el suelo
-Para conductor único se toma ρeq = 6 (cm)
- Usr = 0.96*550 d d (cm) Usr (kV)
- dc = 9.4*Ic
2/3

7. Construcción geométrica del modelo
-Se deben estudiar primero los conductores más expuestos o
sea los más altos en líneas de configuración vertical y los más
externos en líneas de configuración horizontal
-Luego se verifica si los demás conductores quedan también
protegidos

12. Angulo de protección teórico

17. Línea de configuración horizontal
TA2 > 1.1rc
T1A2 < rc

18. -Línea de configuración horizontal de doble circuito :
se debe elevar mucho los dos cables de guardia o usar un
tercer cable (ubicado en el eje)
-En este caso los cables extremos podrían ser separados
-Agrupaciones de líneas :
Se presentan cerca de SS/EE y centrales , la protección debe
ser especialmente eficaz
-Líneas muy cercanas entre si proveen una protección mutua

20. Falla de blindaje

21. Descarga de retorno
-Cuando el rayo cae directamente sobre la torre o el
cable de guardia
-Cuando el rayo cae sobre un conductor de fase y una
corriente de valor de cresta muy elevado

22. Cálculo del número de descargas de retorno
Hay varios fenómenos poco conocidos :
-Respuesta de una torre y su puesta a tierra frente a una corriente
de rayo
-Repartición de corrientes en cable impactado
-Tensión de descarga del intervalo de aire conductor- cabeza del
poste

23. Hipótesis básicas
-El poste se modela con una inductacia de 0.4 µH/m (0.3 a 0.7 µH/m)
-La puesta a tierra se modela mediante la resistencia pura medida a
baja frecuencia y pequeña corriente en serie con inductancia de 5 µH
-La corriente de rayo se reparte por mitades hacia ambos lados del
punto de impacto
-Tensión de descarga: U>0.85Usr descarga monofásica
U>1.15Usr descarga polifásica
Usr tensión soportada con impulso de rayo por el intervalo de aire
cable de guardia – conductor de fase
-No existe correlación entre la amplitud y la pendiente del rayo

24. Desarrollo del cálculo
-De la figura siguiente se clasifican las pendientes del frente
(dI/dt) en cierto número de tramos caracterizados c/u por su
valor medio
-Se calcula : ∆U = L dI/dt si rayo impacta el poste, o
∆U = ½ L dI/dt si rayo impacta el cable de
guardia
-Se calcula : U1= 0.85 Usr- ∆U
U2= Usr –∆U
U3=1.15 Usr-∆U

25. Curva de
probabilidad de
valor de
pendiente de
rayo

26. Se pueden presentar los siguientes casos :
-Línea con cable de guardia.
Si RI/2 > U1 hay descarga monofásica
Si RI/2> U3 hay descarga polifásica
-Línea sin cable de guardia.
Si RI> U1 hay descarga monofásica
Si RI> U3 hay descarga polifásica
-El porcentaje de rayos que provocan falla se obtiene de la
figura siguiente, considerando la altura ponderada de los
cables de guardia o de los conductores de fase

28. -El número total de rayos que provocan descarga de retorno
por 100 km de línea y por año se obtiene multiplicando el
porcentaje anterior por NL
-NL : golpes de rayo / 100 km de línea y año

29. Cálculo de NL :
-NL = Ni [ N1/ 30 + l / 70 ] αL / 100
Ni : nivel ceráunico de la zona
N1 :número de rayos que impactan una línea horizontal,
por 100 km y por año para Ni = 30, se calcula usando el
modelo electrogeométrico, depende de la altura ponderada
de los cables de guardia (o conductores) y se muestra en la
diapositiva siguiente
l :ancho de la línea en metros
L : longitud de la línea en km
α :factor de influencia de las torres o postes

32. Línea de configuración horizontal
TA2 > 1.1rc
T1A2< rc

33. Protección de SS/EE contra la caída directa de
rayos
-Las SS/EE mas críticas son las SS/EE terminales
-La densidad de rayos a nivel del suelo es 4 por km2
y por año para
Ni= 30 y de 2 para Ni= 10 a 15.
Por lo tanto para una SS/EE de superficie igual a 0.1 km2
el riesgo
de ser golpeada por un rayo es en promedio una vez cada 2 a 5 años
según sea Ni .
-Si un rayo golpea una parte viva de una SS/EE, en bornes aparecerá
una sobretensión igual a :
u(t) = ( Z/n )i(t)
Z: impedancia característica de la línea (~ 400 ohm)
n: número de líneas conectadas en el momento a la SS/EE

34. -El caso mas desfavorable es cuando n = 1 (SS/EE terminal) en
que la sobretensión puede alcanzar 800 kV para la corriente de
rayo mas pequeña o sea 2 kA .La descarga es segura y los
chisperos y pararrayos deberán proteger los equipos mas costosos
(transformador)
-Si el rayo golpea la parte viva de una SS/EE aislada (n = 0) la
sobretensión puede alcanzar teóricamente 1000 MV por Coulomb
de la corriente de descarga con pendientes de varias centenas de
MV/ µs
-En este caso los chisperos ni los pararrayos con chisperos pueden
desempeñar su papel protector, debido al retardo a las descargas
de las aislaciones de aire

35. -Si el rayo cae en las estructuras metálicas conectadas a tierra
en la SS/EE, no hay peligro de descarga de retorno dado que
la
resistencia de puesta a tierra de ella es muy baja (del orden de
1 ohm)
-El modelo electrogeométrico permite verificar si las
estructuras metálicas conectadas a tierra desempeñan su papel
de interceptar eficazmente los golpes de rayo

36. Método de la esfera ficticia para determinar
la protección de una SS/EE
-Según el modelo electrogeométrico, es al objeto (incluído el suelo)
que alcanza primero la distancia de descarga d al extremo del
trazador descendente
-Todo sucede como si la punta del trazador estuviera rodeada de
una
esfera de radio d centrada en la punta y que se mueve siguiendo la
trayectoria aleatoria de la punta del trazador
-Al acercarse al suelo el primer objeto tocado por la esfera
determinará el punto de impacto del rayo

37. Así se elabora el procedimiento :
-Se supone que la esfera ficticia de radio d rueda por el suelo
en todas direcciones sin perder jamás contacto con el suelo o
con un objeto prominente
-Si durante el movimiento la esfera toca los dispositivos de
protección (barra vertical, cable horizontal, malla de cables, caja
de Faraday) sin tocar jamás un objeto a proteger, entonces la
protección está asegurada
-Si en este movimiento la esfera toca uno de los objetos a
proteger, la protección deberá ser rediseñada hasta que no se
produzca ningún contacto con los objetos a proteger

38. Algunas aplicaciones simples
-Zona de protección de dos barras verticales a distancia 2D
(ver diapositiva siguiente)
- D<d de lo contrario las dos barras tienen una acción
independiente
a) d>h , la altura protegida p en el centro es :
p = d – √ (d – h)2
+ D2
-La distancia de protección al suelo es :
x0 = √ h( 2d –h)- D2

40. -b) d < h , la altura protegida es :
p = d – D
-La distancia de protección al suelo es :
x0 = √ d2
– D2
-Si se mueve la esfera en torno a las barras siempre en contacto con
sus cabezas, el rayo r del círculo cortado en el plano que contiene
las dos barras crece. En el momento en que el centro de la esfera
está exactamente en ese plano , la altura de protección es :
p = h – d + √ d2
– D2
Que es superior a los casos (a) y (b) citados

41. Zona de protección comprendida entre cuatro barras
-Las cuatro barras forman un cuadrado de lados 2D
(diapositiva siguiente)
-Para una aproximación horizontal, la figura muestra que la
altura de protección en el centro del cuadrado es :
p = h –d + √ d2
– D2
-En la figura se muestra la zona total de protección provista por
las cuatro barras

43. Zona de protección de un cable horizontal
-Si la altura del cable h cumple d >> h el radio de protección
en el suelo es :
x0 = √ 2hd – h2
-La altura máxima hmax que puede tener un objeto para estar
protegido directamente se reduce a :
p = 2d –h (diapositiva siguiente)

45. Zona de protección de una capa de cables horizontales
-Distancia entre cables 2D
-Altura máxima de objeto protegido :

46. Criterio para elegir d
-El modelo electrogeométrico muestra que las zonas de
protección dependen de la distancia de descarga d
-Si el estudio se hace con una cierta distancia dc que llamaremos
distancia de descarga crítica, será buena para d > dc e
incompleta para d < dc , lo que puede suceder con corrientes de
rayo pequeñas
-Si la protección deseada debe ser completa, tienen que acercarse
las mallas de barras o de cables de protección y hay un óptimo
que depende del costo de la instalación y de la tasa de seguridad
especificada
-Si es necesaria una protección absoluta, como en una SS/EE
muy importante, dc deberá corresponder a la menor corriente de
rayo esperable es decir 2kA en cuyo caso dc = 15 m

47. Si se puede aceptar cierto riesgo de falla, se procede así :
-Supongamos que limitamos la protección a una corriente de rayo
I > 5 kA . En la figura siguiente se ve que la protección estará
garantizada en un 97% , es decir sólo un 3% de los rayos
previsibles podrán producir falla
-Recordando que en una gran SS/EE, en una zona de pequeña
severidad de rayo (0.2 rayos por año ), la protección caerá a
0.2*0.03 o sea un riesgo de una falla cada 150 años.
Esta protección se obtiene con dc = 27 m