232547675-sobretensiones-internas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................. 2 SOBRETENSIONES INTERNAS ........................................................................................................................ 3 1.

Definición Definició n .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................... ... 3

2.

Sobretensiones Sobrete nsiones De Servicio (Temporales). (Tempora les). ................................. ............... ................................... .................................. ................................... ........................ ...... 3 2.1.

3.

2.1.1.

Sobretensión Sobreten sión debido a una falla a tierra solida: ................................... ................. .................................... ................................ .............. 4

2.1.2.

Sobretensión debido a una falla a tierra intermitente: intermitente: ................... ............................ .................. .................. .................. ........... 4

2.2.

Rechazo de carga ................................... ................. ................................... .................................. ................................... ................................... ................................... .................. 5

2.3.

Efectos de ferroresonancia en líneas de de transmisión .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ............. .... 6

Sobretensiones Sobrete nsiones De Maniobra (Transitorias (Transi torias). ). ................................. ............... ................................... .................................. ................................... ..................... ... 7 3.1.

4.

Sobretensiones Sobrete nsiones por fallas .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ....................... ...... 4

Energización y desenergización de una línea línea de transmisión transmisión.................. ........................... .................. .................. .................. ........... 7

3.1.1.

Energización Energiza ción de una línea. ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ................................ .............. 7

3.1.2.

Energización de una una línea línea de de transmisión transmisión en vacío ................... ............................ .................. .................. .................. ................ ....... 7

3.2.

Recierre de una línea. ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 8

3.3.

Carga atrapada atrapa da en líneas de vacío ................................... ................. ................................... ................................... .................................... .......................... ........ 8

Pérdida De Carga ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .......................... ........ 9

5. Sobretensiones Por El Establecimiento O Interrupción De Corrientes Capacitivas E Inductivas (Transformadores Y Capacitores) ............................................................................................................... 10 5.1.

Interrupción Interru pción de una corriente capacitiva capacitiv a ................................... .................. ................................... ................................... .............................. ............. 11

5.2.

Interrupción Interru pción de corrientes corrien tes inductivas inductiva s................................. ............... ................................... .................................. ................................... ...................... .... 12

6.

Métodos Para Controlar Controlar Sobretensiones Sobretensiones Generadas En La Operación Operación De Interruptores Interruptores De Potencia Potencia 13

7.

Métodos De Control De Las Sobretensiones Sobreten siones ................................. ............... ................................... .................................. ................................... .................... 16

8.

7.1.

Descargadores Descarg adores .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ..................... ... 16

7.2.

Explosores Explosor es .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 20

7.3.

Filtros y supresores supresor es de sobretensión sobreten sión .................................. ................ ................................... .................................. ................................... ...................... .... 20

7.4.

Estadística Estadís tica de los fenómenos, fenómenos , frecuencia frecuenci a ................................... .................. ................................... ................................... .............................. ............. 20

Bibliografía Bibliog rafía ................................... .................. ................................... ................................... .................................. ................................... .................................... ................................. ............... 21

Página 1


INTRODUCCIÓN Una sobretensión se puede definir como una tensión anormal existente entre fase y tierra o entre fases, cuyo valor pico es superior al valor pico de la máxima tensión de operación normal de un equipo (Vm) o sistema (Vs). Existen muchas causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia, por esta razón su estudio se realiza de acuerdo a su origen, y a la forma de onda y tiempo de duración. Conforme a estos criterios, se puede hacer dos clasificaciones de las sobretensiones. sobretensiones. En función de su origen una sobretensión puede producirse por factores externos a la red como es el caso de las descargas atmosféricas, o por factores internos a la red, por ejemplo maniobras. Así se tiene dos grandes grupos de sobretensiones: so bretensiones: -

Sobretensiones atmosféricas. Sobretensiones de maniobra

Las sobretensiones de maniobra se originan ante la operación de equipos de o súbitas modificaciones en la topología de la red eléctrica, tales como: energización y recierre de una línea, inicio y despeje de fallas, rechazos de carga y establecimiento o interrupción de corrientes capacitivas o inductivas. Todos estos eventos provocan fenómenos transitorios que se traducen en una onda de sobretensión que se caracteriza por tener un frente de onda de algunas decenas a miles de microsegundos. Es así que los voltajes de prueba estandarizados de impulso tipo maniobra tienen un frente de onda de entre 20 y 5000 μs y un tiempo al valor medio de cola menor a 20 ms. Las sobretensiones de funcionamiento o maniobra, también son llamadas transitorias o de conmutación, no son más que la respuesta de los circuitos RLC, cuando se presenta un cambio brusco en las condiciones de funcionamiento establecidas de una red eléctrica. Estos cambios bruscos provocan los fenómenos transitorios que por lo general se trata de ondas de sobretensión de oscilación amortiguadas o de alta frecuencia.

Página 2


SOBRETENSIONES INTERNAS 1. Definición Sobretensión se puede definir como una tensión anormal existente entre fase y tierra o entre fases, cuyo valor pico es superior al valor pico de la máxima tensión de operación normal de un equipo (Vm) o sistema (Vs). Los valores en p.u. de las amplitudes de las sobretensiones estarán referidos al valor pico fasetierra de la tensión más elevada del sistema (Vs), así:

1pu

√  √ 

Debido a que una sobretensión tiene un carácter aleatorio y variable en el tiempo es difícil de caracterizar, por lo que sus parámetros tales como: duración, amplitud y efectos en el sistema son sólo una aproximación estadística. Los riesgos que una sobretensión representa desde el punto de vista del aislamiento son, por ejemplo, disfuncionamientos por la destrucción del material y en consecuencia, la no continuidad del servicio eléctrico Tipos -

Sobretensiones de servicio (temporales) Sobretensiones de maniobra (transitorias)

2. Sobretensiones De Servicio (Temporales). Comprenden los estados estacionarios que pueden resultar durante la puesta en servicio o fuera de servicio de una carga, sobre todo, cuando la red comprende líneas de gran longitud; también se incluyen en este grupo las sobretensiones permanentes provocadas por variaciones repentinas de la tensión, descargas atmosféricas, cortocircuitos o defectos a tierra. Son las siguientes: -

Fallas en el sistema

-

Rechazo de carga

-

Ferroresonancia en LT

Página 3


2.1.

Sobretensiones por fallas

Son sobretensiones que hacen presentar fallas en la red eléctrica, estas pueden ser producidas por diferentes factores y pueden mostrarse en diversos lugares de la misma red. La falla más común en los sistemas de potencia es el cortocircuito monofásico, es decir, una falla entre fase y tierra. Una falla monofásica fase-tierra, causada por ejemplo por el contacto a tierra de un conductor aéreo con una rama, puede provocar sobretensiones en las otras dos fases sanas. Dependiendo del tipo de operación que se le dará al circuito, se determina el tipo de sistema que se utilizara, eligiendo entre sí estará conectado a tierra o aislado de tierra, cabe destacar que cada sistema tiene sus pros y sus contras. Aunque la única ventaja que ofrece la conexión aislada de tierra es que se puede mantener el servicio si se presenta una falla, esto se logra sobrealimentando las otras líneas y manteniéndolas trabajando. Estas fallas pueden clasificarse en:

2.1.1. Sobretensión debido a una falla a tierra solida: Cuando se presenta una falla a tierra en una línea, la corriente de falla es limitada por las capacitancias de línea a tierra. Las consecuencias que se derivan de esta situación son: -

Elevación de la tensión con respecto a tierra de las fases no fallada las que pasan a tener una tensión a tierra igual que la tensión de línea. Se producen caídas de tensión peligrosas en el suelo en las proximidades del punto de falla. Elevación brusca del potencial del punto neutro con las consecuentes sobretensiones transitorias en el caso de fallas intermitentes.

2.1.2. Sobretensión debido a una falla a tierra intermitente: En el caso de fallas intermitentes a tierra se pueden producir sobretensiones de hasta 5 -6 veces la tensión nominal del sistema. Un sistema con el neutro aislado operando bajo condiciones normales mantiene su punto neutro al potencial de tierra, sin embargo, al presentarse una falla a tierra en algunas de las fases de la red eléctrica la tensión de esta se desplaza al punto neutro del sistema, por lo que la tensión en esa línea es igual a cero (0). De no establecerse un contacto sólido en la falla al pasar la corriente por cero la misma se extingue, manteniéndose el punto neutro al potencial adquirido debido a la carga atrapada.

Página 4


2.2.

Rechazo de carga

Un rechazo de carga podría suscitarse ante una operación indebida de un disyuntor, dando como resultado la elevación del voltaje en todo el sistema. Esto se debe a que ante la pérdida de carga, el flujo de corriente disminuye, por lo tanto el efecto capacitivo de las líneas se incrementa y la caída de tensión a través de las impedancias se reduce. Las sobretensiones temporales debidas al rechazo de carga son función de la carga rechazada, de la disposición del sistema después de la desconexión y de las características de las centrales de generación involucradas, tales como las regulaciones de voltaje y velocidad de los generadores que actuarán para disminuir los valores de las sobretensiones intentando llevar al sistema a condiciones normales de operación. Incrementos de voltaje considerables ocurren ante un súbito rechazo de carga en el extremo alejado de una línea larga que se alimenta por su otro extremo. Bajo estas circunstancias se produce el denominado efecto Ferranti, que se manifiesta por una onda de tensión de crecimiento lineal a lo largo de la línea, dando como resultado que la tensión en el extremo abierto y sin carga sea mayor que la tensión en el extremo de la fuente. Los equipos más afectados por estas sobretensiones son los de la subestación del extremo de la línea en el cual ocurrió el rechazo de carga. En sistemas con líneas relativamente cortas las sobretensiones generadas son bajas. La Figura 2.2 muestra el modelo ᴫ de una línea de transmisión, de donde al aplicar un divisor de tensión se puede obtener la relación entre el voltaje en el extremo sin carga y el voltaje en el extremo de alimentación de una línea bajo efecto Ferranti.

Las sobretensiones debidas al rechazo de carga son iguales para las tres fases del sistema y se controlan mediante compensación reactiva, es así que, el uso de reactores en derivación, capacitores en serie o compensadores estáticos, reducen la elevación del voltaje.

Página 5


2.3.

Efectos de ferroresonancia en líneas de transmisión

El fenómeno de resonancia ocurre cuando un circuito que está conformado por inductores y capacitores lineales es alimentado por un voltaje con una frecuencia aproximadamente igual a la frecuencia natural del sistema, en este caso existe un único punto de resonancia. La ferroresonancia es un fenómeno de resonancia no lineal, es decir cuando se tiene por ejemplo una inductancia variable lo cual ocasionará que se puedan presentar varios puntos de resonancia y por ende una mayor probabilidad de ocurrencia. Este tipo de fenómeno puede afectar a las redes eléctricas puesto que provoca la presencia de armónicos anormales y sobretensiones transitorias o permanentes que ponen el peligro al material eléctrico. En un circuito eléctrico, la ferroresonancia se produce cuando se tiene las condiciones propicias, esto es, tener al menos: una inductancia no lineal con circuito magnético saturable, un condensador y una fuente de tensión. En el caso de las redes eléctricas, la ferroresonancia puede aparecer debido a que transformadores de potencia, transformadores de tensión inductiva y reactancias en derivación, involucran inductancias saturables, mientras que, cables, líneas largas, transformadores de tensión capacitivos y condensadores de compensación serie o en derivación propician el efecto capacitivo. Esto hace que las redes eléctricas sean susceptibles de presentar configuraciones favorables para provocar el fenómeno de la ferroresonancia. La ferroresonancia aparece, principalmente con la conexión o desconexión de transformadores o cargas, aparición o despeje de fallas y trabajos bajo tensión, que son eventos en los que existe la posibilidad de una transición brusca de un estado estable normal (sinusoidal a frecuencia de red) a otro estado estable ferrorresonante caracterizado por fuertes sobretensiones y por importantes tasas de armónicos peligrosas para los equipos. Las sobretensiones temporales debido a fenómenos de la resonancia y ferroresonancia pueden alcanzar valores muy altos. Sin embargo debido a que en un sistema de potencia se debe prevenir y limitar las sobretensiones de esta naturaleza, éstas no se consideran para la selección de pararrayos ni para el diseño del aislamiento. Las medidas para limitar sobretensiones temporales debido resonancia y ferroresonancia incluyen el desintonizar al sistema de la frecuencia de resonancia, cambiar la configuración del sistema, o el uso de resistores damping. De las causas que provocan sobretensiones temporales anteriormente analizadas, cabe notar que, en sistemas con el neutro sólidamente conectado a tierra la sobretensión temporal de mayor amplitud y por tanto la más severa es la originada por rechazos de carga. En caso de presentarse sobretensiones temporales de diferente origen en forma simultanea, como por ejemplo fallas a tierra junto con rechazo de carga u otras combinaciones, se tiene como resultado la necesidad de pararrayos con grados de protección superiores y como consecuencia niveles de aislamiento también superiores. Esto se justifica técnica y económicamente solamente si la probabilidad de ocurrencia simultánea es suficientemente alta. En la práctica la probabilidad de que las combinaciones más probables ocurran es baja, por lo tanto no se consideran. Página 6


3. Sobretensiones De Maniobra (Transitorias). Están producidas por los bruscos cambios de estado de una red, a causa de maniobras normales de acoplamiento de redes, conexión y desconexión de disyuntores, entre otros. Estando la instalación a plena marcha. En resumen, cuando un sistema con resistencia óhmica, inductividad y capacidad pasa bruscamente de un régimen permanente a otro régimen permanente distinto. La amplitud y duración de las sobretensiones transitorias dependen de la configuración del sistema, de sus parámetros eléctricos, de la condición del sistema previo al cambio, etc., pero por lo común son de corta duración y altamente amortiguados. Aunque desde el punto de vista del aislamiento su forma y duración son los aspectos más importantes los mismos se clasifican según su origen, siendo los más comunes debido ha: -

Energización de una línea.

-

Recierre de una línea.

-

Apertura de una corriente capacitiva.

3.1.

Energización y desenergización de una línea de transmisión

Una línea de transmisión puede ser energizada o desenergizada no importando el estado de sus terminales del lado de recepción (donde se conecta la carga),. Esta puede encontrarse en vacío (extremo abierto), con una carga capacitiva o inductiva y pueda darse el caso que se encuentre a tierra en cortocircuito una de sus fases. Pero la sobretensión en cada caso es distinta. Las características de estos transitorios, no dependen del tipo de equipo de interrupción, sino que precisamente de los parámetros y de la localización de los componentes de la red.

3.1.1. Energización de una línea. Se origina por la discrepancia de polos en el cierre del interruptor de potencia (disyuntor), esto es, la no simultaneidad del cierre de sus contactos. Al cerrar la primera fase se genera ondas de tensión en las otras dos fases producto de su acoplamiento. Estas ondas se propagan a lo largo de las líneas hasta alcanzar su otro extremo, en donde al chocar con otra impedancia del circuito abierto se refleja para superponerse con las ondas que continúan propagándose produciendo así las sobretensiones.

3.1.2. Energización de una línea de transmisión en vacío Cuando se conecta una línea a una red, se origina una onda de tensión cuyo valor depende de la impedancia característica de la red y de la línea. Si la energización se hace con el extremo en vacío y en el instante más desfavorables, es decir, cuando el generador denota su tensión máxima, se propagan ondas viajeras a lo largo de la línea reflejándose ondas de tensión igual a la incidente, pudiendo alcanzar valores de tensión arriba de los 2.0 p.u., la forma de esta onda reflejada depende mucho del parámetro al final de la línea.

Página 7


Cuando se habla de la energización de una línea en vacío lo primero que debemos saber es su longitud, ya que la tensión de marcha en vacío de la LT varía con el cuadrado de la longitud y si esta es muy extensa existirá una corriente capacitiva que puede llegar alcanzar valores considerables, además sobretensiones Energización o cierre: al energizar una línea de transmisión en vacío la sobretensión se origina por la discrepancia de polos en el cierre del Interruptor de potencia (disyuntor), esto es, la no simultaneidad del cierre de sus contactos. Así, luego de haber cerrado la primera fase se generan ondas de tensión en las otras dos fases, producto de su acoplamiento. Estas ondas se propagan a lo largo de la línea hasta alcanzar su otro extremo, en donde al chocar con la impedancia de circuito abierto, se reflejan para superponerse con las ondas que continúan propagándose, produciéndose así la sobretensión. En caso de que la línea a energizar no termine en circuito abierto sino en un transformador, el fenómeno se vuelve más complicado debido a las características no lineales de su impedancia y la presencia de armónicos. La Figura #02 ilustra la maniobra de energización de una línea de transmisión en vacío.

3.2.

Recierre de una línea.

El recierre es donde se produce las altas sobretensiones. Esto ocurre como producto de las altas diferencias de potencial que se pueden generar en caso de que el cierre ocurra antes de haber drenado la carga residual o si los polos del disyuntor cierran cuando la tensión del sistema tenga polaridad opuesta a la línea. Las sobretensiones originadas durante el recierre son de mayor amplitud que las originadas en la energización debido principalmente a la carga atrapada.

3.3.

Carga atrapada en líneas de vacío

Al ser desconectada la alimentación de la línea de transmisión en vacío, dada la naturaleza prácticamente capacitiva del circuito, las 3 fases quedarán con una tensión prácticamente igual al valor pico de la tensión fase-neutro de la fuente, debido principalmente a que en el instante en que ocurre el cruce por cero de la corriente, la tensión se encuentra en su valor máximo. Esta tensión queda atrapada en las capacitancias a tierra por períodos de tiempo que pueden llegar al orden de los minutos. De ahí el nombre del fenómeno. Sin embargo, analicemos en detalle la situación ante la apertura de cada uno de los 3 polos del interruptor. Página 8


Por simplicidad, supongamos que la orden del despeje trifásico llega de forma tal que la secuencia de desconexión es ACB y que no se producen reencendidos del arco en los interruptores. Una vez abierto el polo de la fase A, por las otras 2 fases de la línea de transmisión sigue circulando una corriente por efecto de las capacitancias mutuas que aun existen entre los conductores (ver fig. 1). Por su parte, el capacitor a tierra de la fase A queda cargado a un voltaje DC muy cercano al valor máximo de la fuente respectiva. Sobre este voltaje DC aparece una componente alterna debida a la corriente a través de las capacitancias mutuas. Esta corriente que aún circula por la fase A, es resultado de la presencia de las dos fuentes de alimentación alterna que permanecen conectadas a las otras dos fases. Por lo tanto, el voltaje “inducido” en la fase A se encontrará en fase con la o nda resultante de la suma de los voltajes B y C. (ver fig.3)

4. Pérdida De Carga La perdida de carga de un sistema eléctrico de transmisión, puede dar origen también a sobretensiones internas, capaces de producir daños a los componentes eléctricos de la red. En los sistemas de transmisión de energía el ángulo formado por las tensiones en los extremos transmisor y receptor (Figura #11) determina el porcentaje de potencia activa que se transmite, mientras que la diferencia existente entre ambas tensiones (valores pico o rms) establece el porcentaje de potencia reactiva que fluye a través de la línea. Cuando existe una carga inductiva se desconecta súbitamente en el extremo receptor de la línea, la tensión de régimen en el mismo sufre un incremento, como consecuencia de un fenómeno transitorio que se le superpone. Este incremento de tensión es afortunadamente de corta duración, pero le da origen a sobretensiones temporales. Otra manera de estudiar el comportamiento de la línea a las pérdidas de cargas seria al conectar una impedancia de carga a la impedancia de corto circuito del sistema (Figura #12) ambas inductivas, con lo Página 9


cual la tensión de la fuente (U1) es mayor que la tensión en el extremo de la carga (U2). El bote de carga o pérdida de carga se manifiesta entonces cuando se interrumpe la intensión de corriente que demanda la carga, la cual cancela la ciada de tensión en la impedancia de corto circuito. La consecuencia que esto origina, es un incremento de tensión en los contactos del interruptor cercano a la fuente.

La compensación en derivación de las líneas de transmisión de longitud apreciable tiene un efecto muy favorable en la impedancia de corto circuito, y por consiguiente también en el bote de carga, pues disminuye el incremento de tensión a frecuencia de régimen. La transmisión a base de líneas en paralelo, al igual que la subdivisión de la carga, puede evitar la incidencia del bote de carga en casi 100%. El incremento mismo de la tensión se logra evitar en la práctica recurriendo a un sistema de protección que se desconecte inmediatamente al interruptor de potencia de lado del suministro (fuente). Algunas compañías de electricidad desconectan incluso ambos interruptores (fuente y carga) simultáneamente para evitar las sobretensiones temporales en cuestión. En los sistemas muy extensos, con líneas de transmisión de longitud apreciable, el mejor método para combatir las sobretensiones temporales causadas por la pérdida de carga consiste en transmitir solo potencia activa.

5. Sobretensiones Por El Establecimiento O Interrupción De Corrientes Capacitivas E Inductivas (Transformadores Y Capacitores) Operaciones de interrupción de corrientes inductivas o capacitivas, pueden dar lugar a sobretensiones de frente lento. Esto se debe fundamentalmente a que este tipo de corrientes están desfasadas alrededor de 90º con respecto a la tensión. Por lo tanto, al momento en el que se interrumpe la corriente por su paso por cero, la tensión estará en su valor máximo, lo cual ocasiona incrementos o transitorios en la tensión que aparece entre los contactos del disyuntor luego de haber sido interrumpida la corriente. Esta tensión se denomina tensión de reestablecimiento del disyuntor. Sobretensiones de mayor magnitud se pueden generar en caso de ocurrir una reignición del arco en los contactos del disyuntor. A continuación se expone una breve explicación de estos fenómenos. Página 10


5.1.

Interrupción de una corriente capacitiva

Para analizar esta maniobra se considerará un circuito de carga capacitiva alimentado a través de una fuente inductiva. La Figura 2.10 muestra el circuito de carga capacitiva y el comportamiento de las ondas de corriente y tensión asociadas.

Tal como se muestra en la figura, previo a la apertura de los contactos del disyuntor la corriente adelanta 90º a la tensión, ya que es predominantemente capacitiva. Con el fin de interrumpir la corriente, los contactos del disyuntor se abren pero la corriente continúa fluyendo hasta su siguiente paso por cero donde el arco pierde conductividad y la corriente se interrumpe, en este instante la tensión está en su valor máximo. La corriente se ha interrumpido y el capacitor de carga C2 queda cargado a la tensión máxima de la fuente +1 p.u. Conforme la tensión de la fuente cambia de polaridad, la tensión de reestablecimiento en el disyuntor aumenta hasta que la tensión de la fuente alcanza su valor máximo y la de reestablecimiento un valor de 2 p.u. En este punto del proceso, si entre los contactos del disyuntor no hay una rigidez dieléctrica suficiente se producirá el reencendido del arco, como es el caso de la figura. Página 11


Una vez que ha ocurrido la reignición, la corriente vuelve a ser interrumpida a su paso por cero, dejando al capacitor cargado a una tensión superior, de incluso 3 p.u. Una segunda reignición podría ocurrir cuando la tensión de reestablecimiento alcance su nuevo valor máximo de hasta 4 p.u. Si nuevas reigniciones ocurren este proceso podría ser recurrente y la tensión podría ir incrementándose cada vez más, en la práctica la falla del aislamiento interrumpiría el proceso. En sistemas de potencia, este tipo de corrientes aparecen ante la apertura de líneas de gran longitud en vacío, o bancos de condensadores.

5.2.

Interrupción de corrientes inductivas

Para analizar esta maniobra se considera el circuito mostrado en la Figura 2.11 (a) cuya corriente de carga es predominantemente inductiva. Las Figuras 2.11 (b) y (c) muestran el comportamiento transitorio de la tensión. Análogo al caso anterior, previo a la apertura de los contactos del disyuntor la corriente retrasa 90º a la tensión, debido a su naturaleza inductiva. Con el fin de interrumpir la corriente, los contactos abren y la corriente continúa fluyendo a través del arco formado entre los contactos hasta su paso por cero, donde el arco se extingue, en este instante la tensión está en su valor máximo. Si el arco se extingue sin que ocurra reignición como se muestra en la Figura 2.11 (b), la tensión del lado de la carga oscilará a una frecuencia mayor que la fundamental debido al efecto de las capacitancias parásitas representadas en C2 y la inductancia de carga L2, en este instante la tensión de reestablecimiento crece instantáneamente hasta su valor máximo para luego amortiguarse. Debido a que la tensión de reestablecimiento se aplica entre los contactos del disyuntor, pueden existir condiciones de reignición, en cuyo caso la corriente vuelve a circular y la tensión del lado de la carga trata de seguir a la tensión del lado de la fuente. Luego, una vez que la corriente pase por cero y se extinga el arco la tensión de reestablecimiento vuelve a alcanzar su valor máximo que debido a estas condiciones es mucho mayor que en caso de no tener reignición, alcanzando incluso valores mayores que la tensión de fuente. Este proceso se ilustra en la Figura 2.11 (c) y puede repetirse varias veces en función del número de reencendidos, provocando que la tensión del lado de la carga aumente considerablemente. Cabe notar que el arco se extingue cuando la corriente del inductor de carga pasa por cero y por lo tanto la energía será inicialmente almacenada en el capacitor. Por lo tanto, la razón por la cual la tensión tiende a incrementarse es un fenómeno capacitivo.

Página 12


En sistemas de potencia, este tipo de sobretensiones aparecen ante la interrupción de corrientes de magnetización de transformadores o reactores y ante la interrupción de corrientes de arranque en motores. Para evitar la presencia de sobretensiones tanto de origen capacitivo como inductivo se deberá seleccionar disyuntores adecuados, con el fin de evitar la reignición del arco, que es la peor condición para la generación de sobretensiones de esta naturaleza.

6. Métodos Para Controlar Sobretensiones Generadas En La Operación De Interruptores De Potencia Cuando las sobretensiones son originadas por maniobras con interruptores, las medidas destinadas a limitar su valor tienen como objetivo final alterar o controlar el proceso transitorio que se origina con la maniobra. Las sobretensiones por maniobra se pueden limitar o evitar empleando interruptores con cierre sincronizado. Puesto que, como ya se ha mencionado, la sobretensión que se puede originar con una maniobra depende de la tensión que exista en el lado de la fuente cuando se cierra el interruptor, el valor de la sobretensión puede reducirse drásticamente, o incluso no originarse sobretensión, si el cierre se sincroniza con la tensión de la fuente, y tiene lugar cuando esta tensión es nula o cercana a cero.

Página 13


El uso de resistencias de preinserción es uno de los métodos más efectivos para controlar sobretensiones generadas en la operación de los interruptores de potencia. Estas resistencias se conectan en serie a la línea previo al cierre de los contactos principales del disyuntor para una vez que el disyuntor ha efectuado el cierre se forme un divisor de tensión con la resistencia preinsertada para así reducir la tensión inicial. Una vez que esto ha sucedido las resistencias se cortocircuitan para ser eliminadas del circuito. La Figura #06 muestra dos arreglos para el uso de las resistencias de preinserción. En ambos casos debe primero cerrarse el contacto A para permitir que entre la resistencia R, y luego de un intervalo de tiempo deberá cerrar B para cortocircuitar a R. El valor de R suele ser similar al de la impedancia característica de la línea, y su tiempo de permanencia está entre 6 y 15 ms.

Los transformadores de tensión inductivos, conectados a los extremos de una línea, reducen eficazmente las cargas atrapadas en las fases de una línea después de su conexión, con lo que las sobretensiones de reenganche generalmente se limitan a las de conexión. La presencia de pararrayos de óxidos metálicos limita las sobretensiones de frente lento al nivel de protección correspondiente a impulsos tipo maniobra. En general, las sobretensiones pueden alcanzar valores superiores al nivel de protección proporcionado por los pararrayos durante la conexión y reenganche de líneas, o con maniobras de corrientes capacitivas e inductivas, pero no así con las otras sobretensiones de frente lento, cuya magnitud será inferior al nivel de protección. Los pararrayos de resistencia no lineal con explosores funcionan con sobretensiones de frente lento únicamente en casos extremos, debido a las características de cebado de los explosores en serie. Los casos más importantes de desconexión que dan lugar a transitorios de sobretensiones son los siguientes:

Página 14


Página 15


7. Métodos De Control De Las Sobretensiones Los equipamientos son solicitados por las sobretensiones durante to do el funcionamiento de un sistema eléctrico y en efecto estas solicitaciones del aislamiento de los equipamientos deben ser minimizadas, para permitir una gran confiabilidad aceptable para la operación del sistema. Las sobretensiones tienen una naturaleza intrínsecamente estadística, debido a una serie de variables aleatorias, tales como: dispersión del instante de cierre de los contactos de los interruptores, instante de ocurrencia de una falla del sistema, amplitud y relación de crecimiento de las descargas atmosféricas, condiciones operativas del sistema en el instante de ocurrencia, etc. y son, prácticamente, imposibles de ser eliminadas o mantenidas bajo riguroso control. Como objetivo para evitar que el riesgo de falla del aislamiento de los equipamientos perjudique la operación del sistema y que los equipos se dañen con frecuencia, se adoptan dispositivos, o medidas especiales, para permitir un control de las sobretensiones, de manera de reducir sus amplitudes máximas y probabilidad de ocurrencia. La utilización de métodos de control de las sobretensiones depende del tipo de solicitación que se pretende controlar, de las características del sistema eléctrico, de factores climatológicos asociados con la región donde el sistema se extiende, etc. La adopción de un determinado tipo de mecanismo, para el control de las sobretensiones debe tener en consideración aspectos relacionados con su eficacia, costos y simplicidad de implementación, y otros. En principio, los sistemas de tensión más elevada son aquellos que necesitan de un mayor control en cuanto se refiere a las solicitaciones de los equipamientos. Los métodos o dispositivos más utilizados para controlar las sobretensiones son las resistencias de preinserción, los descargadores, las modificaciones de la configuración del sistema y el blindaje de líneas de transmisión y de subestaciones contra descargas atmosféricas. Las resistencias de preinserción se conectan por un breve tiempo antes de que se produzca el cierre del contacto principal de los interruptores que ponen en tensión líneas de una cierta longitud que se considera importante. Algunos interruptores que por su principio de interrupción generan sobretensiones, se diseñan para hacer la interrupción en dos etapas, primero insertando una resistencia de apertura y luego interrumpiendo la corriente reducida.

7.1.

Descargadores

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eléctrico contra las sobretensiones transitorias elevadas, drenándolas y limitando su duración, y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente. Estos aparatos comenzaron con formas de cuernos entre los cuales bajo una sobretensión se iniciaba una descarga, evolucionaron con resistencias no lineales (de carburo de silicio) en serie a un explosor, y luego apareció el óxido de cinc. Página 16


Los descargadores de óxido de zinc son los más modernos, comenzaron a penetrar en el mercado en la década de los años 70, y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner utilizados en electrónica. La característica u = f(i) del óxido de zinc se muestra en la figura 7.1 donde se la compara con la de carburo de silicio y con una resistencia lineal. Las intensidades de corriente que circulan a través de estas resistencias para un determinado valor de tensión no requieren explicación, y se destaca el comportamiento del óxido de zinc. El bajo valor de la corriente, que se observa al utilizar resistencias no lineales a base de óxido de zinc, facilita la extinción de la corriente de fuga, habiéndose podido suprimir el explosor de disparo (gapless arressters), eliminándose de este modo el comportamiento errático, desde un punto de vista probabilístico, de este dispositivo. Este tipo de descargadores queda conectado galvánicamente a la red, drenan corriente permanentemente y su comportamiento térmico requiere mayor cuidado. La corriente que demandan de la red es pequeña, igualmente que las pérdidas que resultan del orden de 0,15 W/kV. Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra (en Y), en esta forma protegen de sobretensiones fase tierra. Las sobretensiones fase tierra son características de las descargas atmosféricas, las sobretensiones llegan a una fase y quizás por acoplamiento capacitivo inducen en otras fases también una sobretensión, pero de igual polaridad, por lo que las sobretensiones entre fases no pueden ser mayores. Las maniobras (interrupciones especialmente) generan sobretensiones distintas en las fases, y en consecuencia aparecen sobretensiones entre fases que pueden superar los valores que se presentan a tierra. Estas situaciones se presentan en los generadores (por accionamiento del interruptor de máquina) y en los transformadores (por su interruptor de maniobra) y en algunos casos, en que se justifica por su importancia (valor de sobretensión o frecuencia con que se presenta, maniobra) se requiere limitar las sobretensiones entre fases. Para estos casos se conectan descargadores entre bornes de los aparatos protegidos (en delta, entre los conductores), es así que se tiene 6 descargadores tres fase-tierra y tres entre fases. Una alternativa que permite realizarse con solo 4 descargadores es la disposición llamada candelabro o tridente que tienen tres descargadores conectados a cada fase y a un punto intermedio, y un descargador entre este último punto y tierra como se observa en la figura 7.2.

Página 17


En este caso siempre habrá dos pararrayos conectados (en serie) entre cada una de las fases y tierra, lo que permite su diseño para menos de la tensión nominal del sistema, y también dos descargadores en serie entre dos fases también de tensión nominal menor a la que requiere el sistema. Una falla o daño permanente en uno de los pararrayos superiores (entre fases) podría conducir a un severo cortocircuito en bornes del equipo protegido (motor o generador). Es conveniente que estos pararrayos tengan una tensión nominal superior (en 50% o más) a la del equipo que debe proteger. Las características de los descargadores son: Tensión nominal, que es el valor máximo especificado de tensión eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente. Esta tensión puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus características de funcionamiento. Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra, la elección de su tensión nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala. Cuando la puesta a tierra está asegurada, los descargadores pueden ser para el 80 % de la tensión compuesta del sistema, a medida que la puesta a tierra es menos efectiva, este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 % o más. Frecuencia nominal, no requiere explicaciones. Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales, sin oscilaciones apreciables, que crecen rápidamente hasta el valor máximo y caen luego a cero con eventuales pequeñas ondas de polaridad opuesta. Los parámetros que definen una onda de impulso son los siguientes:    

Polaridad Valor de cresta (máximo) Duración del frente (que precede a la cresta) T1 Duración de la cola hasta el hemivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen rápidamente, se mantienen en un valor prácticamente constante durante un tiempo largo y caen rápidamente a cero. Los parámetros que definen esta onda son:    

Polaridad Valor de cresta Duración convencional de la cresta Duración convencional total.

Página 18


Se dice que una onda de tensión de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga, contorneo o perforación, la onda cortada puede serlo en el frente, en la cresta, o en la cola, y a partir del instante de corte la tensión cae bruscamente. La onda de sobretensión normalizada que simula la descarga atmosférica es 1.2/50 microsegundos. La onda de sobretensión cuyo tiempo de frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensión de maniobra. Una vez comenzada la descarga, por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales, corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas, puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente; para evitar la explosión del descargador se prevén elementos de desconexión o dispositivos de alivio de presión, cuya función es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosión. Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufrirá en su vida, y permiten controlar la calidad del diseño y uniformidad de la producción. 











Ensayo de estabilidad térmica a la tensión máxima que les corresponde soportar (descargadores de oxido de cinc). Ensayo de descarga a impulso, con impulsos de valor creciente se determina la curva tensióntiempo, tanto para ondas de impulso atmosférico, como para maniobras si corresponde. Ensayo de verificación de tensión residual, con corrientes de forma 8/20 microsegundos, entre 0,5 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos. Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud, se aplica un impulso de corriente 4/10 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador. Ensayos con corrientes de larga duración ( 2000 microsegundos), se aplican 20 descargas, y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior. Ensayo de funcionamiento, éste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultáneamente una tensión de impulso y una tensión de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las máximas.

La tensión que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido, por las caídas de tensión que se producen en los conductores de conexión del descargador a la línea y a la tierra y por las condiciones de propagación de la onda. En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo más cortas posibles, y que la red de tierra sea un punto común entre el descargador y el elemento protegido; en la medida en que la realización constructiva se aleje de esta condición la tensión sobre el elemento protegido sea mayor. Asimismo es importante que el descargador esté próximo al elemento que debe proteger para que la protección tenga máxima eficiencia; en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente, la protección resultará menos eficiente.

Página 19


7.2.

Explosores

Dos electrodos en aire, con forma adecuada son llamados explosores, y también realizan cierta protección contra sobretensiones, limitando el valor máximo de la tensión que puede haber. El comportamiento posterior del explosor, depende de sus características, y particularmente de la potencia de cortocircuito en el punto en que el explosor se encuentra. Por acción de estos elementos la onda de sobretensión se trunca, lo que produce otra solicitación que sigue a las que corresponden al frente. Con potencias de cortocircuito elevadas el arco en el explosor implica la actuación de las protecciones, por ser un arco a tierra (cortocircuito monofásico).

7.3.

Filtros y supresores de sobretensión

Una onda de sobretensión que se propaga en una línea, se desplaza sin cambiar su forma (suponemos no hay efecto corona), si la línea finaliza, se produce la reflexión de la onda, y se duplica su valor. Los descargadores se ponen precisamente en ese punto para limitar el efecto de reflexión de la sobretensión. Un capacitor en el extremo de la línea crea un efecto parecido, particularmente reduce la pendiente del crecimiento de la sobretensión, influyendo de manera importante. Este efecto beneficioso se presenta también cuando la línea prosigue, con la misma o distinta impedancia, y es muy utilizado cuando la línea es seguida por un equipo más sensible a las sobretensiones (protección de generadores, por ejemplo). Cuando los fenómenos que se presentan son oscilatorios, el capacitor esta combinado con un resistor, que cumple la función de disipar energía de las oscilaciones de manera de eliminarlas (reducir su amplitud) en menor tiempo. Esta protección es particularmente importante cuando se presentan sobretensiones debidas a maniobras (interrupción de corrientes inductivas, por ejemplo, transformadores que se desconectan frecuentemente como es el caso de alimentación de hornos de arco).

7.4.

Estadística de los fenómenos, frecuencia

Los fenómenos de sobretensiones tienen características aleatorias, no siempre se presentan con el mismo valor, por lo que es difícil razonar sobre el valor máximo que alcanzan. Esto es intuitivo, al observar fenómenos debidos a descargas atmosféricas. Al observar sobretensiones de maniobra, también se adopta el enfoque estadístico, el interruptor hace muchas maniobras, y se obtiene cierta distribución estadística de sobretensiones, los distintos interruptores a su vez producen distintos valores de sobretensión en un punto determinado.

Página 20


La presencia de descargadores de óxido de Zinc, autoválvula o cuernos modifica los valores de las sobretensiones. En particular los descargadores deben drenar las sobretensiones atmosféricas. En ciertos casos se desea que drenen y limiten las sobretensiones de maniobra; lógicamente deben ser adecuados para soportar la solicitación consiguiente. Es importante tratar de lograr una relación entre el valor de la sobretensión y la frecuencia con que se presenta. En la práctica, además de los valores posibles de sobretensiones en los terminales de los equipamientos, resulta de interés también, la determinación de los valores de corriente y energía en los descargadores.

8. Bibliografía -

José Carlos Romero SUBESTACIONES FUNDAMENTOS TEÓRICOS, Unidad de Publicaciones, 2001. SUBESTACIONES DE ALTA TENSIÓN. http://es.m.wikipedia.org/wiki/Sobretensi%C3%B3n_electrica. “SOBRETENSIÓN ELÉCTRICA” [Gilberto Enríquez Harper. TÉCNICAS DE LAS ALTAS TENSIONES, VOL. 1. Editorial Limusa, México 1980. http://es.scribd.com/doc/127040798/115698553-sobretensiones-internas http://schaelleo.blogspot.com/2012/06/sobretensiones-internas.html

Página 21

232547675-sobretensiones-internas

Recommend Documents