MANIOBRAS CON CARGA INDUCTIVA RESUMEN: El presente trabajo se presenta mediante una investigación de diferentes fuentes bibliográficas acerca de las maniobras con cargas inductivas en sobretensiones, expresarlo en el siguiente formato con el fin de enriquecernos de conocimientos aptos para el desarrollo de la materia. El objetivo prioritario es entender los conceptos basicos, características y efectos que desarrollan las cargas inductivas para las maniobras eléctricas que se realizan principalmente en los interruptores de potencia, transformadores, reactores y por consiguiente consiguiente en las líneas de transmisión, transmisión, al momento momento de conexión y desconexión de carga. De esta forma se podrá obtener un criterio y análisis adecuado para el conocimiento general de la maniobra con cargas inductivas desarrollado en sobretensiones, con ello obtener las respectivas medidas de protección y aislamientos sobre las mismas, con el fin de proteger al sistema de las sobretensiones.
2.1 DEFINICIONES PREVIAS Cargas inductivas En las cargas inductivas o bobinas como los motores y transformadores la característica principal de estos elementos es la de almacenar y construir la energía eléctrica convirtiendole en energía magnética por medio del campo magnético que genera al circular corriente eléctrica por estos elementos, la corriente se encuentra retrasada respecto al voltaje, es decir, existe un desfase negativo (-90). Donde se tiene un factor de potencia retrasado.
PALABRAS CLAVE: sobretensión, carga inductiva, maniobra eléctrica, aislamiento, protección.
transformadores,
reactores,
1. INTRODUCCIÓN Con el desarrollo de la tecnología se intenta controlar las sobretensiones originadas en las líneas de transmisión que son producidas principalmente por descargas atmosféricas y por operaciones realizadas por maniobra. Estas fallas pueden producirse debido a las conexiones y desconexiones de cargas inductivas o capacitivas, dependiendo el caso; estas configuraciones elevan su rango de voltaje, generan anomalías que afectan el funcionamiento y vida útil del sistema, y son muy frecuentes al momento de realizar operaciones de mantenimiento en las redes, transformadores, entre otros. Estas anomalías pueden ser de larga duración o de corta duración, de acuerdo a las sobretensiones que se presenten en el sistema, y son clasificados en la norma IEC 60071. En la actualidad existen diferentes métodos que permiten determinar el estudio de sobretensiones por maniobra, y mediante ensayos y softwares determinar su tipo, para que con dichos resultados establecer procesos que permitan elegir su protección y aislamiento para el sistema, de esta forma proteger al sistema y alargar su vida útil.
2. DESARROLLO
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Figura 1. Forma de onda del voltaje y la corriente para una carga inductiva. Tomado de cargas en sep, disponible en www.dspace.ups.edu.ec www.dspace.ups.edu.ec
Circuito inductivo En el cierre de un interruptor, sobre un circuito inductivo (transformador en vacío, arranque de motores), hay un instante donde la rigidez dieléctrica entre contactos es inferior a la tensión aplicada. Se produce una ruptura que provoca la anulación brusca de la tensión en los bornes del aparato. Esta es acompañada de oscilaciones con las capacidades parasitas, que provocan la circulación de corrientes de alta frecuencia en el interruptor.
Figura 2. Circuito con carga inductiva. Tomado de cargas en sep, disponible en www.dspace.ups.edu.ec Según sea la rapidez del interruptor, se puede o no presentar pre-descargas disruptivas hasta que se cierran completamente los polos. Las pre-descargas sucesivas van acompañadas de sobretensiones sucesivas que decrecen hasta el cierre completo del aparato. El fenómeno es muy complejo e intervienen varios parámetros a saber:
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Las características del aparato de corte La impedancia característica de los enlaces Las frecuencias propias del circuito de carga
2.2 SOBRETENSIÓN
Las sobretensiones causadas por operación de bancos de capacitores producen un incremento de voltaje en el sistema de bajo voltaje.
2.2.1 CLASIFICACIÓN SOBRETENSIONES
DE
Definida como cualquier tensión entre un conductor de fase y tierra o entre conductores de fase cuyo valor pico exceda el correspondiente valor pico de la tensión más alta del equipo. Cumpliendo con las normas CEI-711.
Según con la norma IEC 600-71 desde 1993 las sobretensiones se clasifican en:
Causas
Caracterizadas por sobretensiones de frecuencia fundamental de duración relativamente larga.
Las sobretensiones en un sistema eléctrico de potencia son originadas por dos causas:
Causas de origen externo al sistema como son las descargas atmosféricas. Causas de origen interno como cortocircuitos u operaciones de maniobra en el sistema eléctrico de potencia
SOBRETENSIONES TEMPORALES
SOBRETENSIONES TRANSITORIAS Caracterizadas por una sobretensión de corta duración, de algunos milisegundos o menos, oscilatoria o no oscilatoria, usualmente fuertemente amortiguada. Dentro de las sobretensiones Transitorias tenemos la siguiente división:
Efectos Las sobretensiones por descargas atmosféricas o por maniobra pueden ocasionar gran variedad de problemas en los sistemas eléctricos de potencia entre los cuales podemos mencionar los siguientes: Las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas introducen transitorios y debido a la enorme cantidad de energía que traen consigo, las corrientes que se presentan pueden alcanzar valores hasta de 100kA instantáneos, introduciendo esfuerzos dinámicos y términos en las instalaciones eléctricas. Debido a la energización normal de líneas de trasmisión descargadas, con o sin transformadores en sus terminales las sobretensiones se producen en cada fase mientras es energizada y por acoplamiento conforme se energizan las otras fases. Hay casos en que sobretensiones transitorias hacen operar los descargadores produciendo severas corrientes de descarga. El recierre rápido de disyuntores de alto voltaje, en líneas de transmisión con carga atrapada derivada de una previa des energización por apertura de los d isyuntores en cada línea causa una sobretensión. Si los elementos con inductancia en derivación, tales como transformadores, reactores en derivación o transformadores de potencial son conectados a la línea de transmisión, a carga atrapada seria completamente disipada durante el intervalo en el que los disyuntores permanecen con contactos abiertos, pudiendo existir en algunos de los casos una carga oscilatoria atrapada menor de uno por unidad al momento del recierre. En un disyuntor abierto las sobretensiones pueden originar reencendido del arco eléctrico.
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Sobretensiones de frente lento Son sobretensiones usualmente unidireccionales, con un tiempo, hasta la cresta comprendido entre 20 µs y 500 µs y un tiempo de cola menor o igual a 20ms. Estas sobretensiones pueden originarse de fallas, operaciones de conexión o desconexión de equipos pertenecientes al SEP y descargas atmosféricas.
Sobretensiones de frente rápido Son sobretensiones usualmente unidireccionales, con un tiempo hasta la cresta comprendido entre 0.1 µs y 20 µs y un tiempo de cola menor o igual a 300 µs. Estas sobretensiones pueden originarse de operaciones de conexión o desconexión de equipos eléctricos, descargas atmosféricas o fallas.
Sobretensiones de frente muy rápido Son sobretensiones usualmente unidireccionales, con un tiempo hasta la cresta menor a 0.1 µs con una duración total de 3ms y con oscilaciones superpuestas de frecuencia comprendidas entre 30 kHz y 100 MHz. Estas sobretensiones pueden originarse por fallas u operaciones de conexión y desconexión de subestaciones aisladas en gas (GIS).
Sobretensiones Combinadas Consiste de dos componentes de tensión simultáneamente aplicadas entre cada uno de los dos terminales de fase de un aislamiento fase-fase (o longitudinal) y de la tierra. Se clasifica por la componente de mayor valor de cresta.
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2.3 SOBRETENSIONES DE MANIOBRA O FRENTE LENTO Las sobretensiones de maniobra se originan ante la operación de equipos de súbitas modificaciones en la topología de la red eléctrica, tales como: energización recierre de una línea, inicio y despeje de fallas, rechazos de carga y establecimiento o interrupción de corrientes capacitivas o inductivas. Son sobretensiones sualmente unidireccionales, con un tiempo hasta la cresta comprendido entre los 20 µs y 500 µs y un tiempo de cola menor o igual a 20ms.
generador de impulsos o excitando la cascada de corriente alterna en el primario. Las sobretensiones por maniobra de interruptores, pueden tener frentes de onda del orden de varios microsegundos y durar varios ciclos de la frecuencia industrial y esto las convierte en el factor limitante para la coordinación de aislamiento.
Estas sobretensiones pueden originarse de fallas, operaciones de conexión o desconexión de equipo dentro del sistema puede causar sobre voltajes que aparecen en puntos remotos, así como en los sitios de maniobra. Una operación especifica de maniobra es la apertura o cierre de interruptores. Las sobretensiones por maniobra ocurren principalmente al conectar o desconectar equipos en subestaciones, las sobretensiones transitorios por maniobra son sobretensiones producidos por cambio en las condiciones de operación dentro de la r ed. Los casos más importantes de desconexión que dan lugar a transitorios de sobretensiones son los siguientes:
Figura 4. Tipos de desconexiones que dan lugar a transitorios de sobretensiones. tomado de análisis de sobretensiones por inducción en líneas de transmisión, disponible e n www.profcarlostejada.files.wordpress.com
2.3.1 CLASIFICACIÓN DE SOBRETENSIÓN DE MANIOBRA Entre las operaciones de maniobra que pueden ocasionar un nivel de sobretensión elevada están las operaciones de apertura o cierre como lo son: Energización de una línea y recierre de una línea. Ante la energización o recierre de líneas trifásicas, es muy probable la generación de sobretensiones en las tres fases de la línea, y desconexión de capacitores y reactores.
Energización de líneas de transmisión Cuando una línea de transmisión es energizada por una fuente inductiva, las formas de onda y la magnitud de las sobretensiones transitorias desarrolladas son dependientes de tres constantes de tiempo. Una sobretensión típica de energización de una línea donde las sobretensiones resultantes son causadas por las ondas viajeras en los conductores.
Figura 3. Tipos de desconexiones que dan lugar a transitorios de sobretensiones. Tomado de análisis de sobretensiones por inducción en líneas de transmisión, disponible en www.profcarlostejada.files.wordpress.com Las ondas normalizadas son contempladas para realizar pruebas con sobretensiones a tiempos diferentes, se aplican en forma consecutiva un número determinado de veces, para así obtener un comportamiento probabilístico en el caso de los cálculos de aislamiento, en el caso de las sobretensiones por maniobra, por ejemplo, pueden ser generadas con la ayuda de un
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En la práctica, las sobretensiones debidas a la energización de líneas de transmisión son mayores en virtud al acoplamiento mutuo que existe entre las tres fases, además de que los contactos de los tres polos del disyuntor no cierran simultáneamente. Cuando la línea que se va a energizar termina en un transformador, debido a la característica no lineal del núcleo de dicho transformador, el fenómeno se vuelve más complejo, debido a que los armónicos generados pueden interferir con la capacitancia de la línea y causar oscilaciones no lineales, que en algunos casos pueden durar largos periodos de tiempo exigiendo de esta manera que existan pararrayos conectados en la línea.
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Recierre de líneas de transmisión Cuando un interruptor opera para desconectar una línea en vacío, la corriente capacitiva de la línea es interrumpida cuando dicha corriente pasa por cero y cuando esto sucede la tensión está pasando por su valor máximo, dejando consecuentemente una carga residual en la línea, la misma que no es igual en las tres fases debido al acoplamiento existente entre ellas. Este acoplamiento y el desplazamiento del neutro dejan en la fase que primero se interrumpe la corriente una tensión de hasta un valor de 1.3 p.u. y a menos de que esta carga sea drenada por un transformador o un reactor, permanecerá en la línea mucho tiempo, El tiempo de descarga de la línea puede ser modificado en caso de que el interruptor haya tenido acoplados resistores de pre inserción, reactores en derivación o transformadores de potencial inductivo conectados a la línea. En cuanto al efecto de la resistencia de pre inserción, depende básicamente del valor del resistor, de su tiempo de inserción y de la longitud de la línea.
Desconexión de capacitores y reactores. Como se mencionó anteriormente la desconexión de circuitos origina sobretensiones conocidos como
“TENSIONES DE RECUPERACIÓN” que pueden alcanzar valores mucho más grandes que la tensión nominal del equipo. Las características que presentan estos voltajes de recuperación dependen directamente del tipo de circuito desconectado, el mismo que puede ser capacitivo o inductivo, y además de las características particulares del circuito.
Figura 5. Interrupción de una corriente inductiva. Tomado de Análisis de sobretensiones debido a transitorios por maniobras en SEP, disponible en http://bibdigital.epn.edu.ec Entre estas maniobras de conexión y desconexión incluimos a los bancos transformadores, banco de reactores y motores. En un sistema de alta tensión, se utilizan reactores para la compensación de reactivos en el sistema. Estos se conectan al devanado en delta de los terciarios de los autotransformadores, mediante interruptores de alta tensión. Los bancos de reactores se operan, en algunas ocasiones, hasta dos o tres veces al día, por lo que los interruptores para esta aplicación deben de operar en forma satisfactoria en un gran número de operaciones Para analizar este proceso se considera el circuito mostrado en la Figura 6 cuya corriente de carga es predominantemente inductiva, seguidamente de la Figura 7 la cual muestra el comportamiento del transitorio que se genera durante la maniobra
Generalmente, este fenómeno conlleva el almacenamiento de energía en las inductancias y capacitancias, con un intercambio entre ellos.
2.4 SOBRETENSIÓN POR MANIOBRA CON CARGA INDUCTIVA
Figura 6. Circuito Inductivo, disponible en http://bibdigital.epn.edu.ec
El origen de sobretensiones en el corte de corrientes inductivas se debe fundamentalmente al corte de las corrientes antes de su paso natural por cero. Incluso cuando el corte se realiza con el paso por cero de la corriente inductiva, la tensión transitoria de restablecimiento será del orden de dos veces la tensión nominal de cresta. La figura 5 muestra un circuito empleado para analizar la interrupción de una corriente inductiva. Este circuito puede corresponder a un sistema eléctrico formado por un transformador en vacío, representado por su inductancia de magnetización y la capacidad parásita en paralelo, alimentado por una línea aérea, representada por una fuente de tensión ideal en CA con la inductancia serie y su capacidad paralelo a tierra
Figura 7. Transitorio durante la interrupción, disponible en http://bibdigital.epn.edu.ec Previo a la apertura de los contactos del interruptor
la corriente retrasa 90◦ a la tensión. Con el fin de interrumpir la corriente, los contactos abren y la corriente
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continúa fluyendo a través del arco eléctrico formado entre los contactos del interruptor, hasta su paso por cero donde el arco se extingue, en ese instante la tensión está en su valor máximo. Si el arco se extingue y no ocurre ninguna otra reignición como se observa en la Figura 7, la tensión en el lado de carga oscila a una frecuencia mayor que la fundamental debido al efecto de las capacitancias parasitas representadas en C2 y la inductancia de carga L2, en ese momento la tensión de recuperación crece instantáneamente hasta su valor máximo para luego amortiguarse. Así la frecuencia de oscilación está determinada por L y C mediante la fórmula que se muestra a continuación (Moreno y Yungan, 2011):
1
= 2√
EC. [1]
2.4.1 ANÁLISIS DE MANIOBRA El estudio de estas sobretensiones se puede realizar mediante los diferentes casos de acción del interruptor, es decir, ya sea en estado de: energización (cierre) o desenergizacion (apertura).
inductancias del conductor, que pretenden mantener el flujo de la corriente incluso en caso de interrupción del circuito. La amplitud de la sobretensión depende principalmente de la corriente que circula por esta inductancia justo en el momento de producirse la desconexión.
2.5 SOBRETENSIÓN POR MANIOBRA CON CARGA INDUCTIVA EN TRANSFORMADORES En el momento de que se abre el interruptor en un circuito con corriente magnetizante de un transformador sin carga o con corriente (absorbida) de un motor de inducción en vacío, pueden generarse sobretensiones extremadamente altas en el lado de carga del interruptor. Estas sobretensiones pueden generar descargas que, si ocurren sobre los aislamientos, pueden debilitarlos o provocar falla permanente aunque estas se pueden manifestar en maniobras de cierre posteriores. La Figura 8 muestra el circuito equivalente de un transformador monofásico o un reactor. La corriente I C(t) a 60 Hz es muy pequeña comparada con I L(t), lo que significa que la corriente que circula por el interruptor en estado estable, es prácticamente la I L(t).
En realidad existen dos formas para interrumpir el flujo de la corriente en una línea de transmisión: reduciendo a cero el potencial que lo genera o separando físicamente el conductor del flujo de corriente mediante un interruptor. Esta última, es la más utilizada para lograr dicha interrupción, ya que en SEP una misma fuente alimenta a varias líneas de diferentes zonas y en ocasiones solo se desea liberar a algunas o una de ellas. Las sobretensiones por maniobra que se producen son principalmente: la desconexión de cargas inductivas y la desconexión de las inductancias en la rama serie del circuito de corriente.
Desconexión de cargas inductivas
Desconexión de cargas inductivas conectadas en paralelo a la fuente de tensión como, por ejemplo, transformadores, bobinas de reactancias, bobinas de relés o contactores. Las sobretensiones de conmutación que aparecen se producen por un funcionamiento similar al caso de desconexión de un transformador de alta tensión de funcionamiento en vacío.
Desconexión de inductancias en la rama serie del circuito de corriente
Este fenómeno aparece al utilizarse inductancias, como bobinas longitudinales, bucles de conductores e
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Figura 8. Transformador monofásico, disponible en http://bibdigital.epn.edu.ec Se puede observar que la Ic(t) está en oposición de fases con la I L(t), véase la Figura 52. Si el interruptor interrumpe la corriente en su cero natural (60 Hz), en ese instante el capacitor C se carga a la tensión máxima y a través de L y C no existe circulación de corriente. Inmediatamente después, el capacitor C se descarga
sobre la inductancia L oscilando a la frecuencia f= 1 / [2√ (LC)]. El rango de magnitudes de f para el caso de transformadores, está entre 200 a 5000 Hz. Para transformadores de alta relación estos valores de frecuencia se manifiestan bajos. La frecuencia también varía para transformadores de la misma relación de tensión. En realidad f no es constante, ya que L no es constante debido a la saturación del núcleo, como se aprecia en la siguiente figura.
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espiras, particularmente si el reactor es del tipo de núcleo de aire.
Figura 9. Voltajes y corrientes durante la desconexión de una carga inductiva, disponible en http://bibdigital.epn.edu.ec Figura 11. Desenergización de un reactor fases A B y C, disponible en http://bibdigital.epn.edu.ec
Figura 10. Deformación de la corriente debido a la saturación, disponible e n http://bibdigital.epn.edu.ec
2.6 SOBRETENSIÓN POR MANIOBRA CON CARGA INDUCTIVA EN REACTORES
La diferencia básica entre la interrupción de la corriente de un reactor y la corriente de excitación en un transformador, es que en el núcleo del trafo se da el fenómeno de histéresis, por lo que solo una parte de la energía almacenada en el transformador es liberada, mientras que en un reactor por tener entrehierros relativamente grandes prácticamente no existe efecto de histéresis por lo que es mayor la energía almacenada en el reactor que en el transformador. Además que la corriente de los reactores es elevada comparada con la fracción de corriente de excitación de un trasformador, por todo esto las sobretensiones son mayores en la desconexión de reactores, en el caso de energización se obtiene una ventaja en el abatimiento de la sobretensión si se compara con las sobretensiones de energización de una línea en vació. Al desenergizar este dispositivo pues como se mencionó anteriormente habrá una sobretensión mucho más elevada que la que se produce ante la desconexión de un trafo en vació, ya que por medio de un inductor se puede almacenar mayor cantidad de energía sin ningún efecto como la saturación en un trafo. Ver figura 11. Para ello se varia los tiempos de apertura del interruptor, la sobretensión alcanza un factor de 1.5 p.u. para el caso se la fase C además la frecuencia varia. El transitorio dura un corto tiempo manteniendo una oscilación de carga y descarga por el fenómeno de capacitancia y inductancia de la línea. La maniobra de apertura de un reactor shunt puede imponer solicitaciones críticas a su aislamiento entre
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La reducción de estas sobretensiones por maniobra de cargas inductivas, se logran por dos medios como medida de protección: Por medio de resistencias de preinserción en el interruptor o por mediante el uso de apartarrayos, como se discute en el capítulo posterior. En general, la energización y desenergización de re actores.
Los estudios de sobretensiones por maniobra se realizan mediante simulaciones con el ATP, o algún otro paquete que tenga características similares, y requieren información de la capacidad de cortocircuito del sistema, características de la línea de transmisión y su longitud, el tipo de interruptores y resistencias de apertura, entre otros.
3. CONCLUSIONES
La cargas inductivas son producidas por motores, tranformadores que son capaces de almacer energía debido a su campo magnético que circula produciendo estas corrientes. Sobretensión se puede definir como la Tensión anormal existente entre dos puntos de una instalación eléctrica, superior al valor máximo que puede existir entre ellos en servicio normal. Las sobretensiones por maniobra son producidos generalmente por la conexión o desconexión de un determinado equipo dentro de una subestacion, los cuales provocan sobretensiones que pueden llegar a durar varios ciclos de frecuencia debido a las caracteristicas no lineales de un determinado transformador En la desconexión de circuitos inductivos se presentan transitorios que provocan sobretensiones en las instalaciones, este tipo de transitorios pueden ser muy graves, en particular si en los circuíos inductivos circulan corrientes pequeñas. Este caso corresponde en la práctica
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normalmente a la desconexión transformadores de alta tensión en vacio.
de
El análisis de sobretensiones por maniobras generalmente se realiza con el objetivo de definir las solicitaciones dieléctricas sobre los equipos en redes de transmisión de extra y ultra alta tensión, , ya que las sobretensiones por maniobras generadas por la energización y la desenergización a alta velocidad de líneas de transmisión por interruptores, introducen esfuerzos dieléctricos produciendo envejecimientos prematuros en el aislamiento de los equipos, dando un factor importante en el diseño del mismo.
4. REFERENCIAS
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