clasificación y características de las sobretensiones La primera clasificación de las sobretensiones se basa en el origen, ya que la causa puede ser interna o externa a la red. Las sobretensiones de origen externo, es decir debidas a causas ajenas al sistema, son originadas principalmente por el impacto de un rayo y son conocidas también como sobretensiones atmosféricas. Las sobretensiones de origen interno son causadas en el propio sistema, y se dividen a su vez en sobretensiones temporales y de maniobra. Estas últimas son causadas por operaciones de cierre y apertura de interruptores o seccionadores, lo que en general provoca un proceso transitorio que puede terminar originando no sólo sobretensiones sino también sobreintensidades. Las sobretensiones temporales tienen causas muy diversas, tal como se verá en las próximas secciones. Una clasificación más completa de las sobretensiones se basa en las principales características con las que se presenta el proceso transitorio: valor de cresta, duración, y frecuencia o
gama de frecuencias en el proceso transitorio, si este es oscilatorio, o el tiempo al valor de cresta si el proceso transitorio transitorio es unidireccional unidireccional.. De acuerdo acuerdo con esto se pueden distinguir distinguir las siguientes categorías: a) Sobretensiones Sobretensio nes temporales, son de larga duración (desde varios milisegundos a varios segundo segundos), s), y de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación. b) Sobretensiones de frente frente lento, son generalmente generalmente originadas por maniobras, maniobras, tienen una corta duración duración (pocos milisegundos) y se presentan con una gama de frecuencias que varía entre 2 y 20 kHz. c) Sobretensiones de frente rápido, son generalmente causadas por el rayo, son de duración muy corta y de amplitud muy superior a la tensión de cresta nominal. d) Sobretensiones de frente muy rápido, se originan generalmente con faltas y maniobras en subestaciones de SF6 , su duración es de pocos microsegundos, y su frecuencia es generalmente superior a 1 MHz. La Figura 1.1 muestra una relación entre el tipo de sobretensiones (se excluyen las de frente muy rápido), la duración y el orden de magnitud que puede alcanzar el valor de cresta. Aunque las causas de las sobretensiones son muchas, así como los parámetros y variables que intervienen en cada categoría, es posible distinguir unos pocos parámetros cuya influencia será decisiva en la mayoría de casos [1] – [6] a) Valor de cresta: además de la tensión nominal de la red, que siempre será una referencia, el valor máximo de una sobretensión dependerá de ciertos factores, según sea la causa u origen: • En sobretensiones temporales y de frente lent o originadas por una falta o maniobra influirán el instante en el que se inicia el proceso transitorio, la carga atrapada en el lado del consumo en caso de maniobra, el amortiguamiento amortiguamiento que introducen los distintos equipos de la red, y en algunos casos (maniobras de líneas y cables en vacío) los coeficientes de reflexión
Introducción
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En sobretensiones de frente rápido o muy rápido originadas por una maniobra, además de las causas mencionadas anteriormente, habrá que añadir las impedancias características de los componentes que intervienen en el proceso transitorio. • En sobretensiones de frente rápido o muy rápido provocadas por una descarga atmosférica infl
uirán las impedancias características de líneas, cables y otros equipos, los coeficientes de reflexión en puntos cercanos al punto de impacto, y el instante de impacto de la descarga. b) Frecuencia de las oscilaciones: las frecuencias que aparecerán en sobretensiones oscilatorias serán debidas a la frecuencia de las fuentes que alimentan la red, las frecuencias naturales que pueden originarse entre los distintos equipos, o la longitud de líneas, cables o conductos para los cuales el modelo matemático incluya una representación con parámetros distribuidos. La frecuencia natural de un circuito es el resultado de intercambio de energía entre el campo eléctrico y el campo magnético, y depende de los valores de sus parámetros no disipativos (L y C):
En el caso de una línea o cable, la frecuencia de las oscilaciones originadas por reflexiones de ondas entre sus extremos vendrá dada por la siguiente expresión:
Siendo t el tiempo de propagación en la línea, cable o conducto. Si la sobretensión es unidireccional (no oscilatoria) y originada por un rayo, el tiempo a la cresta dependerá fundamentalmente del tiempo a la cresta de la descarga atmosférica, y será del orden de microsegundos. c) Duración: la duración de una sobretensión dependerá fundamentalmente de dos factores, la causa y el amortiguamiento que introducen los equipos de la red. La norma UNE-EN 60071-1 [10] establece la clasificación de sobretensiones de acuerdo con una forma de onda y una duración normalizadas. La Tabla 1.1 presenta un resumen de las características más importantes de cada tipo de sobretensión. Se puede comprobar que están divididas en dos grupos: 1. Sobretensión de baja frecuencia: es de larga duración y se origina con una frecuencia igual o próxima a la de operación. Este tipo de sobretensiones se divide a su vez en: • Tensión permanente a frecuencia industrial: tensión a frecuencia de operación de la red, con un valor
eficaz constante, y aplicada permanentemente. duración relativamente larga. Una sobretensión de este tipo puede ser amortiguada o débilmente amortiguada. Dependiendo de la causa, su frecuencia puede ser distinta o igual a la frecuencia de operación de la red. •Sobretensión temporal: sobretensión de frecuencia industrial y
2. Sobretensión transitoria: es de corta duración (algunos milisegundos), oscilatoria o unidireccional, y generalmente muy amortiguada. Una sobretensión transitoria puede estar seguida por una sobretensión temporal; en tal caso ambas sobretensiones se analizan como sucesos separados. Las sobretensiones transitorias se dividen a su vez en:
• Sobretensiones de frente lento: generalmente oscilatoria, con un tiempo de subida hasta el valor de cresta, T p , comprendido entre 20 y 5.000 μs, y con un tiempo de cola,T2 , igual o inferior a 20 ms. • Sobretensión de frente rápido: Generalmente unidireccional, con un tiempo de subida hasta el valor de cresta, T1 , comprendido entre 0,1 y 20 μs, y con un tiempo de cola, T2 , igual o inferior a 300 μs. • Sobretensión de frente muy rápido: generalmente oscilatoria, con un tiempo de subida hasta el valor de cresta, Tf , inferior a 0,1 μs, una duración total infe rior a 3 ms, y con oscilaciones superpuestas de
frecuencias comprendidas entre 30 kHz y 100 MHz. El cálculo de sobretensiones se debe realizar teniendo en cuenta la configuración del aislamiento de los equipos involucrados; es decir todos los elementos que influyen en el comportamiento dieléctrico que pueden resultar dañados o afectados por una determinada sobretensión. Según UNE-EN 60071-1, se deben distinguir las siguientes configuraciones de aislamiento: a) Trifásica: la que tiene tres bornes de fase, un borne de neutro y un borne de tierra. b ) Fase-tierra: Configuración trifásica en la que no se tiene en cuenta los bornes de dos fases, y en la que el borne de neutro está generalmente conectado a tierra. c) Fase-fase: Configuración trifásica en la que no se considera un borne de fase. En algunos casos tampoco se consideran los bornes de neutro y de tierra. d) Longitudinal: Configuración con dos bornes de fase y uno de tierra. Los bornes de fase pertenecen a la misma fase de una red trifásica, separada temporalmente en dos partes independientes bajo tensión. Los cuatro bornes de las otras dos fases no se tienen en cuenta o están conectados a tierra.
Sobretensiones transitorias
Una sobretensión es una tensión elevada que aparece en la instalación, y que puede superar la tensión máxima admisible tanto en cables como en receptores. Ladescarga de un rayo sobre cualquier cable conductor provoca sobretensiones transitorias en el conductor que se caracterizan por su corta duración, crecimiento rápido (el rayo normalizado tipo es de 1,2/50 μs, es decir, onda con tiempo de subida hasta el valor de cresta de 1,2 μs y tiempo de bajada hasta el 50 % del valor de cresta de 50 μs) y valores de cresta muy elevados (hasta varias centenas de kV). Esta descarga se propaga en un radio de varios kilómetros y su dispersión en la tierra eleva su potencial, induciendo fuertes sobretensiones en los cables subterráneos y aumentando la tensión en las tomas de tierra. El rayo no es el único causante de sobretensiones transitorias, también lo son las grandes conmutaciones de las compañías eléctricas, las conmutaciones de maquinaria de gran potencia y las descargas electrostáticas. Las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos llegan hasta las instalaciones de tres formas: – Sobretensión conducida: El rayo cae directamente sobre la línea aérea, propagándose la sobretensión a lo largo de
varios kilómetros. Ésta acaba llegando a las instalaciones interiores de BT y se deriva atierra a través de los receptores, provocando averías o su total destrucción. – Sobretensión inducida: La radiación emitida por
el impacto del rayo sobre un objeto (poste, árbol, pararrayos, etc.) próximo a las líneas eléctricas, induce tensiones transitorias en éstas, transmitiéndose a las instalaciones interiores. – Aumento del potencial de tierra: Cuando un rayo cae a tierra o a una estructura conectada a tierra, la corriente de
descarga del rayo que circula por el terreno puede elevar el potencial del terreno varios miles de voltios. La protección se realiza mediante los descargadores de sobretensiones. Las sobretensiones pueden presentarse en el receptor de dos formas: – Modo común (entre fase y tierra o entre neutro y tierra). – Modo diferencial (entre fase y fase o entre fase y neutro). Este modo es especialmente peligroso para los equipos
informáticos. Sobretensiones permanentes
Una sobretensión permanente se produce cuando el valor eficaz de la tensión es superior al 110 % del valor nominal, manteniéndose durante varios períodos o permanentemente Se produce debido a defectos en los centros de transformación o por corte del conductor neutro, en las redes BT.
