Selección de DPS.pdf

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES

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Dispositivos de protección contra contra sobretensiones Funciones •

•

•

En ausencia de impulsos, no debe tener tener influencia influencia significativa significativa en el funcionamiento del sistema, tiene una alta impedancia. Durant Durantee la ocurrenci ocurrenciaa de impulsos, responde responde disminuyendo disminuyendo su impedancia limitando asi el valor de voltaje hasta su valor de protección. Después Después de la ocurrenci ocurrenciaa del impulso, impulso, recobr recobraa su valor alto alto de impedancia y extinguiendo el flujo de corriente

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Dispositivos de protección contra contra sobretensiones

Se pueden dividir los DPS en dos grupos de acuerdo con la metodología de selección y sus características; DPS para bajo voltaje (< 1000 V) y DPS para media y alta tensión

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Instalación de DPS (RETIE)

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Selección de DPS (RETIE)

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Instalación de DPS (RETIE)

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Dispositivos de protección contra sobretensiones Tecnologías DPS tipo limitador de tensión para MV y HV

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Clasificación de los dispositivos de protección contra sobretensiones La clasificación de un DPS está ligada al esquema de selección y coordinación los cuales define cada norma en particular. Las principales referencias normativas en cuanto a DPS con la IEEE, IEC y UL.

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Clasificación DPS para media y alta tensión IEC 60099 Corriente nominal de descarga

Tensión asignada Ur

[kA]

[KVrms]

20

360 < Ur ≤756

10

3< Ur ≤360

5

Ur ≤132

2.5

Ur ≤36

1.5

bajo consideración

Adjunto a la clasificación, la norma define el parámetro Clase de descarga de línea que está  relacionado con la energía y líneas de gran longitud, que aplica para corrientes nominales de 10 a 20 kA.

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Clasificación DPS para media y alta tensión IEEE C62.11 Clasificación (tensión máxima del sistema)

Valor del impulso

Estación (800 kV)

20

Estación (550 kV)

15

Estación (< 550 kV)

20

Intermedio (3 – 120 kV)

5

Distribución: (1 – 30 kV) 

Trabajo pesado



Trabajo normal



Trabajo liviano Secundarios

[kA]

10 5 5 1,5

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Selección DPS en media y alta tensión

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Selección de DPS en media y alta tensión El voltaje de operación continuo se calcula como se indica a continuación •Para sistemas con neutro sólidamente aterrizado U c min  1.05 U s

3

•Para sistemas con neutro resonante o aislado U c min  U s

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Selección de DPS en media y alta tensión La   tensión asignada   está relacionada con la soportabilidad ante sobretensiones temporales, se calcula como el máximo entre Ur1 y Ur2 como se indica a continuación: •Para sistemas con neutro sólidamente aterrizado se escoge el máximo entre U TOV  y U r1  1.25 1.05  U s

3

U r 2 

k tov

Donde k  se obtiene de la gráfica de soportabilidad a frecuencia industrial para el caso más crítico dada por el fabricante y el tiempo de despeje de falla crítico en el sistema. Si Ur2 > Ur1 se debe recalcular el voltaje de operación continuo así  to v

U c  U r  1.25

•Para sistemas con neutro resonante o aislado

U r  1.25  U s

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Selección de DPS en media y alta tensión Gráfico típico para selección de k to v

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Selección de DPS en media y alta tensión selección de la corriente nominal De acuerdo a la norma IEC 60099-5 se deben considerar los siguientes aspectos para la selección de la corriente nominal de descarga: Grado de protección requerido, mayores corrientes de descarga aumentan la confiablidad de la protección Número de líneas conectadas durante la operación del descargador Aislamiento de la línea Probabilidad de los parámetros del rayo en la zona, específicamente corriente •

•

•

•

La norma recomienda para rango I corrientes de descarga de 5 kA y 10 kA. Una corriente de 5 kA se considera para sitios con poca probabilidad de descarga y líneas cortas. Para sistemas con nivel de tensión superior a 72.5 kV se recomienda usar siempre corriente de descarga de 10 kA Para rango II la norma recomienda 10 kA y 20 kA, la corriente de 10 kA es suficiente para líneas de media y corta distancia y tensiones hasta 420 kV, para tensiones más elevadas la norma recomienda 20 kA

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Selección de DPS en media y alta tensión Clase de descarga de línea La norma IEC define para las corrientes de descarga de 10 kA y 20 kA un parámetro llamado clase de descarga de línea, el cual relaciona el valor de capacidad de absorción de energía del descargador para la descarga de líneas de gran longitud. Este parámetro es básicamente un indicador de capacidad energética del descargador.

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Selección de DPS en media y alta tensión Clase de descarga de línea La clase de descarga de línea es seleccionada de la Figura de acuerdo con la energía específica requerida y la relación entre el nivel de protección de maniobra y la tensión asignada del descargador. Una vez ubicado el punto en la gráfica se escoge la clase de descarga de línea superior al punto.

Para preselección puede asumirse la siguiente recomendación práctica. • Clase de descarga 2 para líneas cortas (menos de 50 km) en niveles de tensión inferiores a 57 kV • Clase de descarga 3 para subestaciones entre 60 kV y 230 kV con líneas cortas y/o bajo nivel ceráunico. • Clase de descarga 4 para subestaciones entre 60 kV y 230 kV con líneas de más de 100 km y/o alto nivel ceráunico en la zona (mayor a 150 días tormentosos al año). • Clase de descarga 5 para líneas superiores a 200 km y condiciones de maniobra con alta sobretensión temporal específicamente el caso de centrales de generación y cuando se tengan cables aislados en niveles de tensión superiores a 115 kV de más de 150 m

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Coordinación de DPS en media y alta tensión Los descargadores ubicados en la entrada de los campos de línea deben ser siempre dimensionados considerando los parámetros más críticos y generalmente estos deben tener más capacidad energética que los descargadores al interior de la subestación. •

La soportabilidad a frecuencia industrial es vital debido a la gran probabilidad de fallas a tierra por lo cual se debe considerar el tiempo de falla más crítico en el sistema cuando se calcula la energía que consumirán los descargadores. Para este aspecto no interesan las distancias y todos los descargadores sin importar su corriente nominal deben ser verificados en este aspecto. •

Se recomienda siempre hacer una verificación de la coordinación mediante simulaciones en ATP/EMTP con parámetros críticos en cuanto a interruptores abiertos a fin de que los descargadores experimenten mayores esfuerzos, tanto en maniobras como en rayos. •

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Montaje

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Montaje

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Montaje

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Montaje

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Dispositivos de protección contra sobretensiones Tecnologías DPS tipo limitador de tensión ZnO

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES EN BAJA TENSIÓN

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Evaluación de nivel de riesgo según IEC 61643-12 1. Si se tiene línea de suministro aérea y nivel ceraunico mayor a 25 días/año. Se debe instalar DPS a la entrada del circuito. 2. Si alguna de las dos condiciones anteriores no se cumple, se debe evaluar los siguientes tipos de consecuencias. 1. 2. 3. 4. 5.

Consecuencias en la vida de personas.(influencia directa del rayo en la vida de las personas) Consecuencias relativa a servicios públicos (perdida de servicio a gran cantidad de personas) Consecuencias a actividades industriales o comerciales. (perdida de producción, perdidas económicas importantes) Consecuencias a grupos de individuos (sin impacto directo de rayos en la seguridad de las personas) Consecuencias a individuos (sin impacto directo de rayos en la seguridad de las personas).

3. Si se tienen consecuencias 1 a 3 se debe instalar DPS a la entrada de la instalación en los casos 4 y 5 se debe instalar DPS si se da que d>dc

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Evaluación de nivel de riesgo según IEC 61643-12 dc : longitud critica 1/Ng para la consecuencia 4 2/Ng para consecuencia 5 Ng: 0,04 Td  1,25 Td: Nivel ceráunico d= d1 + d2/4 + d3/4 d1 (km): longitud de línea aérea de baja tensión (max 1km) d2 (km): longitud de cable subterráneo no apantallado (max 1km) d3 (km): longitud de línea de HV max(1km)

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Evaluación de nivel de riesgo según IEC 61643-12 Ejemplo: Iglesia en zona con nivel ceraunico 20 días/año, conectada con un transformador dentro de la iglesia desde una línea de HV de 2km, la conexión en baja tensión del transformador a la iglesia es 500m Línea aérea, con nivel ceraunico menor a 25 días /año, no se tiene riesgo de impacto directo en la vida de las personas (caso 4) se realiza evaluación de riesgo. d= 0,5 + 0 + 0,25 (Max 1km de línea aérea) d= 0,75 Ng= 0,04* 20  1,25 = 1,7 dc= 0,59 d > dc entonces se requiere instalación de DPS

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•

•

DPS para baja tensión según IEC 61643-1 - clasificación Según numero de puertos: Uno o dos Según topología: •

• •

Suiche controlado por voltaje (gaps en aire, tubos de descarga de gas, tiristores, triacs). Limitador de voltaje (varistor, diodos supresores etc). Combinación de estos

•

Clase: I, II y/o III

•

Instalación: Interior, exterior.

•

Accesibildad: Accesible, inaccesible

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 - clasificación •

Método de montaje: fijo o portable.

•

Tipo de elemento de desconexión: •

•

•

Según ubicación (externo, interno, ambos, ninguno). Funciones de protección (térmica, corrientes de fuga, sobre corriente)

Tipo de comportamiento en falla • •

  Cortocircuito. Circuito abierto

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DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Uno y dos puertos

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Dispositivos de protección contra sobretensiones Tecnologías DPS tipo limitador de tensión para Baja tensión

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DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Comportamiento según topología y numero de puertos

•

De acuerdo con RETIE (20.14), en Colombia no se puede instalar DPSs que solo tengan tecnología de conmutación de tensión

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DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Comportamiento según topología y numero de puertos

 K c

•

DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Condiciones normales de servicio Frecuencia: entre 48Hz – 62 Hz

•

Altitud: hasta 2000 msnm

•

Temperatura de operación: • •

•

•

Rango normal: -5 C a 40 C Rango extendido: -40 C a 70 °

°

°

C

°

Humedad relativa: 30% - 90 % Cualquier condición por fuera de estos rangos debe ser especificada, así como la exposición a radiación solar.

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Factores de selección

•

Características del sistema

•

Características de equipos a proteger

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema Tipo de aterrizamiento •

  XY-Z • •

•

• •

• • •

X: forma en que el neutro se conecta a tierra en la fuente. Y: Forma en que el conductor de tierra de los equipos en la instalación eléctrica se conecta a tierra. Complementa la información

T: tierra N: Conductor neutro I: impedancia S: separado C. Combinado

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•

DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema Tipo de aterrizamiento – TN-C (prohibido según RETIE) •

•

•

Neutro como conductor de protección (PEN), corrientes de desbalance y armónicos 3º orden Corte en este conductor afecta seguridad de personas y bienes 4 hilos

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema •

Tipo de aterrizamiento – TN-S

•

•

•

Independiente conductor de protección del conductor de neutro 5 hilos   Isc1f>>

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•

DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema Tipo de aterrizamiento – TN-C-S

•

Combinación de sistemas TN-C y TN-S

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Tipos de conexión

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DPS para baja tensión según – Conexión TN-C-S según RETIE •

Tipo de aterrizamiento – TN-C-S

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Conexión sistemas TN

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema •

Tipo de aterrizamiento – TT

El conductor de protección se conecta a tierra independiente de la tierra de la fuente y del neutro Por implicar puesta a tierra independiente es no admitido por RTEIE

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DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Conexión en sistemas TT

 K c

DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Conexión en sistemas TT

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema •

Tipo de aterrizamiento – IT

Neutro aislado de tierra o a través de impedancia Isc1f

RETIE lo permite para algunas zonas o procesos específicos, no a la conexión de la acometida. Requiere monitoreo de aislamiento

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DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Conexión en sistemas IT

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Tipos de conexión

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema

•

Voltaje nominal del sistema • • •

Un: fase – tierra Uo: Línea – neutro U: Línea - línea

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Características del sistema •

  Sobrevoltajes •

  Rayo: Directo en el sistema eléctrico primario, pasa a baja tensión cerca de 2-8% (U = Z*I/2) Indirecto por acople inductivo con los sistemas vecinos. (U=30*I *k*h/d) Directo en sistema de apantallamiento. Maniobra: operación de interruptores, fusibles, contactores. Temporales:  fallas a tierra

•

•

•

• •

   

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DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Características del sistema

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DPS para baja tensión según IEC 61643-12 – Características del sistema

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Parámetros de selección •

•

•

Uc: Maximo voltaje de operación continua (>1,1 Us según RETIE)

Características de sobrevoltajes temporales In: Corriente nominal de descarga (clase I y II): parámetro de prueba para determinar Up, corriente esperada frecuentemente, (>5KA según RETIE)

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Corrientes de descarga según NPR seleccionado (NTC 4552)

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•

DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Parámetros de selección Iimp (clase I) :  parámetro usado para pruebas en clase I, valor máximo esperado esporádicamente (onda 10/350)

•

Imax (clase II) :  parámetro usado para pruebas en clase II, valor máximo esperado esporádicamente

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Parámetros de selección •

•

Uoc (clase III) : voltaje de circuito abierto

Up: nivel de protección. (< 80% Nivel básico de aislamiento de equipos) se determina con In en clase II y con Iimp en clase I)

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Parámetros de selección •

Modo de falla.

•

Soportabilidad de cortocircuito.

•

Ifi: Corriente sostenida de interrupción nominal.

•

IL: Corriente de carga nominal.

•

Caída de voltaje.

•

Ipe: Corriente residual.

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Parámetros de selección

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Zonas de protección IEC 61643-12- Zonas de protección protección

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Zonas de protección IEC 61643-12- Zonas de protección protección Zona 0A : Los dispos dispositi itivos vos están están expues expuestos tos a impact impactos os direct directos, os, podría podrían n tener tener que conducir la corriente plena del rayo. El campo EM en esta zona es no atenuado. Zona 0B : Los dispositivos no están expuestos a impactos directos, pero debido a los campos EM no atenuados atenuados en esta zona zona implica circulaci circulación ón de corrientes corrientes no atenuadas atenuadas de rayos e impulsos. Zona 1 : Los dispositivos están parcialmente expuestos a impactos directos, El impulso impulso de corrientes de rayo y/o sobretensiones de conmutación se reducen en comparación con las zonas OA u OB. Zona 2 : Los remanentes de corrientes de impulso de rayo y/o sobretensiones de conmutación se reducen en comparación con zona 1. Zona Zona 3 : Impu Impuls lsos os caus causado adoss por por efect efectos os de oscil oscilac ació ión, n, acopl acoplam amie ient ntos os de camp campos os magnéticos y conmutación interna son reducidos en comparación con la zona 2.

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 CLASE I Los DPS de esta clase se usan en las interfaces de una zona expuesta a corrientes directas o parciales de rayo y una zona no expuesta a corrientes directas o parciales de rayo, rayo, por ejemplo entre la zona 0A y la zona 1

CLASE II Los DPS de esta clase están diseñados para manejar corrientes inducidas o atenuadas por los DPS clase I, normalmente se usan para interfaces entre zona 0B y 1 si las líneas de entrada están completamente en zona 0B (apantalladas) y la probabilidad de falla es baja.

CLASE III Los DPS de esta clase están enfocados al equipo final Estos DPS se utilizan entre las interfaces de la zona 1 y la zona 2.

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Tipos de conexión Como regla general se calcula 1uH/m de conductor. V= L dI/dt Si en un impulso se tiene 1kA/us V/m= 1 uH /m * 1kA/us = 1kV/m El esquema (b) es el preferible. Los demás pueden usarse si no es posible (b) pero con la menor longitud de conductor (longitud total menor a 0,5m)

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Tipos de conexión

En cualquier caso se debe asegurar que Up < 80% de Uw del equipo mas sensible

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Coordinación Para un impulso dado de corriente como se distribuyen i1 e i2 ? Como se asegura que DPS1 y DPS2 soporten las condiciones de energía

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Coordinación Objetivos de Coordinar DPSs •

•

•

Asegurar que los DPSs trabajen según su soportabilidad (corriente y energía).   Disminuir el valor de la corriente I2 para disminuir los disturbios electromagnéticos que esta causa al interior.

Se logra la coordinación energética, si para todos los valores de impulsos de corriente entre 0 e Imax1 la porción de energía, disipada a través de DPS2 es menor o igual a su energía máxima soportada (Emax2).

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Coordinación

Si Up1 > Up2, se puede dar coordinación si la distancia entre ellos es tal que se compense la diferencia de tensión (por lo general mayor a 5-10 m). Su Up1 < Up2, con esto la mayor parte de la corriente circularía por DPS1.

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Coordinación

Verificar que de darse cruce se presente en un valor bajo de i para mayor probabilidad de coordinación en ondas de larga y corta duración

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DPS para baja tensión según IEC 61643-1 – Coordinación entre limitadores 1. Identifique los sobrevoltajes esperados sin tener DPSs, diferenciando entre larga y corta duración. 2. Seleccione DPS1 tal que soporte tales esfuerzos, en caso de no tener los datos sobredimensione con datos de fabricantes y obtenga de este los datos de I max1 e Iimp1 3. Seleccione DPS2 según los niveles deseados de protección 1. 2. 3.

Compare las curvas de Ures(I) con I desde 0,1In2 hasta Imax1  Determine si hay cruce de las curvas. Si el cruce es en un valor muy bajo no se requiere calculo de energía en el DPS2, ya que habrá coordinación independiente de la distancia entre estos. Si no tiene curvas disponibles entonces seleccione DPS2 según: 1. 2.

4.

Si ambos tienen la misma corriente nominal: Ures1(In) < Ures2(In) Si In2< In1 entonces : U res1(In2) < Ures2(In2)

Calcular la energía en DPS2 para verificar el criterio de energía y para comprobar que todavía se obtiene la protección

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DPS para baja tensión soportabilidad de equipos 1. Según NTC 4552

1. Según

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DPS Selección 1. Uc

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DPS Selección 1. Ut > Utov

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DPS Selección •

In:  –

 –

En el origen siempre debe ser mayor a 5kA (8/20) Si conecta DPPS fase neutro y neutro –tierra este último debe tener por lo menos • •

•

20kA (8/20) si trifásico 10 kA (8/20) si monofásico

  Iimp: Si hay posibilidad de impacto directo 12,5kA para cada modo de protección Si conecta DPPS fase neutro y neutro –tierra este último debe tener por lo menos:  –

 –

• •

50 kA si trifásico 25 kA si monofásico