Sobre Tension Es

UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

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

Definición ........................................................... .............................................................................................................................. ................................................................... 3

2.

Puntos de entrada de las sobre tensiones en una instalación ............................................. 3

3.

Tipos De Sobretensiones .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 3 3.1.

3.1.1.

Sobretensiones de maniobra (transitorias)........................................................... 3

3.1.2.

Sobretensiones de servicio (temporales). ............................................................. 4

3.2.

4.

6.

Sobretensiones externas .............................................................. ............................................................................................... ................................. 5

3.2.1.

Descarga atmosférica ........................................................... ............................................................................................ ................................. 7

3.3.2.

Sobretensiones de Tipo Externas ............................................................... .......................................................................... ........... 8

3.3.3.

Como afectan las Sobretensiones Externas o Atmosférica................................... 9

3.3.4.

Teoría de la Formación de un Rayo ............................................................ ....................................................................... ........... 9

Protección Contra Sobretensiones En Líneas De Alta Tensión. .......................................... 11 4.1.

¿Dónde se instalan? ......................................................... .................................................................................................... ........................................... 12

4.2.

Tipos de protecciones contra sobretensiones ............................................................ 13

4.2.1.

Explosores o pararrayos de "cuernos" ................................................................ 13

4.2.2.

Pararrayos autoválvulares. .............................................................. .................................................................................. .................... 15

4.3. 5.

Sobretensiones internas.................................................... internas................................................................................................ ............................................ 3

Consejos para instalación de de pararrayos autovalvulares en CT de MT....................... 18

Métodos De Control De Las Sobretensiones Sobretensiones.............................................................. ....................................................................... ......... 21 5.1.

Descargadores ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 21

5.2.

Explosores ............................................................. ................................................................................................................... ...................................................... 24

5.3.

Filtros y supresores de sobretensión .................................................................... .......................................................................... ...... 25

5.4.

Estadística de los fenómenos, frecuencia .......................................................... ................................................................... ......... 25

Bibliografía ..................................................................... .......................................................................................................................... ..................................................... 26

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UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

INTRODUCCIÓN Las sobretensiones permanentes son aumentos de tensión de centenas de voltios durante un período de tiempo indeterminado debido a la descompensación de las fases normalmente causada por la rotura del neutro. La rotura de neutro provoca una descompensación en las tensiones simples, lo que produce en los receptores reducción de vida útil, destrucción inmediata e incluso incendios. Además se puede definir también como: -

Son perturbaciones que se superponen a la tensión nominal del sistema Pueden darse entre fases del mismo circuito (Modo diferencial) o entre fases y tierra (Modo común) Son difíciles de caracterizar debido a que su naturaleza es muy variada, permitiendo sólo una aproximación estadística Sus peores efectos son el mal funcionamiento o la destrucción de los equipos. Tanto para el suministrador como para el usuario. Como resultado de las sobretensiones se pueden dar: Desconexiones cortas  Reenganchadores en media tensión Desconexiones largas  Intervención para reemplazar el equipo dañado o los aisladores





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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

SOBRETENSIONES 1. Definición Se ha visto que en los sistemas eléctricos, por distintas causas se presentan sobretensiones, y que la aislación debe ser elegida económicamente, dimensionándola para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentarán. Recordemos que las sobretensiones que se presentan dependen de factores externos a la red, de características de componentes de la red, y de características de diseño de la red. Además las sobretensiones permanentes son aumentos de tensión de centenas de voltios durante un período de tiempo indeterminado debido a la descompensación de las fases normalmente causada por la rotura del neutro. La rotura de neutro provoca una descompensación en las tensiones simples, lo que produce en los receptores reducción de vida útil, destrucción inmediata e incluso incendios.

2. Puntos de entrada de las sobre tensiones en una instalación -

Cualquier conductor metálico puede ser la vía de conducción de las sobretensiones.

-

En las instalaciones eléctricas, las líneas de la red de distribución de energía eléctrica y la red de telefonía son las más propensas a sufrir sobretensiones, ya que tienen grandes tiradas de cables fuera de edificios, y forman una malla de interconexión entre todas las instalaciones.

3. Tipos De Sobretensiones 3.1.

Sobretensiones internas.

Las sobretensiones internas se pueden definir como cualquier tensión transitoria entre fase y tierra o entre fases que tengan un valor respecto a la tensión del sistema. Se forman como consecuencia de las oscilaciones entre las energías de los campos magnético y eléctrico producidas por un arco intermitente, es decir arcos que se apagan al pasar la corriente alterna por cero, pero se vuelven a encender cuando la sinusoide de la tensión toma mayores valores. Son las producidas al variar las propias condiciones de servicio de la instalación. Las sobretensiones de origen interno pueden, a su vez, clasificarse en dos categorías:

3.1.1. 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. Página 3


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. Apertura de una corriente inductiva. Energización de un a 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. 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 Interrupción de una corriente inductiva. Aunque se interrumpa bruscamente en cualquier punto un circuito que contenga inductancia la corriente no puede dejar de circular por la inductancia hasta tanto la energía almacenada en el campo no se haya disipada totalmente en forma de pérdidas o haya pasado a almacenarse en el campo electrostático del sistema de que se trate. De interrumpirse bruscamente la corriente la energía total almacenada en el campo magnético tiene que pasar a almacenarse en el capacitor, para lo cual la tensión en él tiene que aumentar.

3.1.2. 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: -

Efecto ferranti Ferroresonancia Resonancia Página 4


-

Fallas a tierra Efecto ferranti.

Es una sobretensión producida en una larga línea de transmisión, relativa a la tensión al final de la misma, que ocurre cuando esta está desconectada de la carga, o bien con una carga muy pequeña. Cuando la línea está en vacío o con muy poca carga, al no circular una cantidad significativa de corriente a través de las inductancias serie distribuidas la absorción de reactivos por parte de la línea será mínima en comparación con la inyección de reactivos por parte de las capacitancias distribuidas. Ferrorresonancia. La ferroresonancia es un fenómeno de resonancia no lineal, es decir cuando se tiene por ejemplo una inductancia variable lo cual ocasionara que se puedan presentar varios puntos de resonancia y por ende una mayor posibilidad de ocurrencia. Este tipo de fenómeno puede afectar a las redes eléctrica puesto que provoca la presencia de armónicos anormales y sobretensiones transitorias o permanentes que ponen e peligro al material eléctrico Esta puede ser iniciada por sobretensiones de origen atmosférico, conexión o desconexión de transformadores o de cargas, aparición o eliminación de defectos, trabajos bajo tensión, entre otros. Existe la posibilidad de transición brusca de un estado estable normal a otro estado estable ferrorresonantes caracterizados por fuertes sobretensiones y por importantes tasas de armónicos peligrosas para los equipos. Las ferrorresonancias se pueden manifestar por varios de los siguientes síntomas: Sobretensiones permanentes elevadas de modo diferencial o de modo común. -

Desplazamiento de la tensión punto neutro. Calentamiento de los transformadores (en funcionamiento sin carga). Destrucción de materiales eléctricos por efectos térmicos o por roturas eléctricas. Resonancia.

Como es conocido en los sistemas eléctricos se puede presentar un aumento considerable en la corriente al ocurrir un fenómeno de resonancia. Esta condición se presenta al neutralizarse las reactancias inductivas y capacitivas entre sí, pasando el sistema a ser resistivo. El aumento de la corriente que ello conlleva, hace que al circular esta corriente por cada equipo en particular, provocan los mismos una caída de tensión que dependerá de la impedancia del mismo, puesto que la corriente está determinada por el circuito en su conjunto. Fallas a tierra. Es el tipo de falla que produce normalmente las máximas sobretensiones además de ser el tipo de fallas más usuales una falla a tierra en una línea produce una sobretensión en las fases sanas que dependen de la disposición del neutro a tierra, si el neutro está unido rígidamente a tierra, la tensión en las fases sanas permanecen entre la tensión simple y compuesta.

3.2.

Sobretensiones externas Página 5


Son las que penetran en líneas aéreas desde la atmósfera a consecuencia de golpes de rayo o de influencia electroestática. Las sobretensiones producidas por golpes de rayo directos son las más peligrosas por ser mucho más altas que las internas y las debidas a influencia electroestática de las nubes. Se incluyen en este grupo, las sobretensiones que tienen una procedencia exterior a la instalación y en los que, por lo tanto sus amplitudes no están en relación directa con la tensión de servicio de la instalación afectada. Comprenden, sobre todo, las sobretensiones de origen atmosférico, tales como rayos, cargas estáticas de las líneas. Los golpes de rayo directos pueden producir tensiones del orden de 10 5 hasta 106 voltios, y corrientes del orden de 10 4 hasta 105 amperios. De los oscilogramas tomados mediante oscilógrafos de rayos catódicos resulta que la tensión y la corriente son impulsos de muy breve duración que pueden representarse mediante ondas aperiódicas que se desarrollan en intervalos de 5 hasta 100 µs (microsegundos, siendo 1 µs = 10 -6 segundos). Los aisladores de línea no pueden soportar tales sobretensiones en consecuencia se producen descargas y se forman arcos sobre los aisladores que perduran aun cuando la sobretensión desaparece, siendo la tensión de servicio de líneas de alta y media tensión suficiente para mantenerlos en el canal de aire ionizado. Ahora bien, el arco con su alta temperatura destroza a los aisladores si no se interrumpe muy pronto. La interrupción del arco en sistemas con el punto neutro conectado directamente a tierra, se efectúa mediante los interruptores, ya que el arco sobre los aisladores produce un corto circuito monofásico. En sistemas con el punto neutro aislado, el arco encendido por sobretensiones atmosféricas no produce cortocircuitos, sino corrientes de moderada intensidad. Las sobretensiones que aparecen en las líneas aéreas debido a los rayos pueden ser: -

Por la incidencia directa del rayo en los conductores. Por inducción. Por la incidencia directa del rayo en la estructura. Por la incidencia directa del rayo en el cable protector.

El efecto de la incidencia directa de un rayo sobre un conductor cualquiera de una línea aérea, equivale a la inyección de una corriente que se propaga en ambas direcciones. Para evitar las fallas por esta causa, se requiere de un nivel de aislamiento extraordinariamente altos siendo mucho más económico y técnicamente factible proteger a la línea contra los impactos directos mediante su apantallamiento empleando cables de protección. Además, cuando un rayo impacta una de las fases de un circuito trifásico en las otras dos fases se inducen sobretensiones de polaridad contraria, pero de tal magnitud, que pueden llegar a provocar fallas en ellas. Cuando un rayo cae cerca de una línea aérea, en ella aparece una sobretensión por inducción que es la causante de la inmensa mayoría de las interrupciones por rayos en las líneas de distribución, por el relativamente bajo nivel de aislamiento, y por qué la forma de onda generalmente presenta un frente mucho más pendiente. La baja frecuencia de ocurrencia de impactos directos es debido a la relativamente baja altura de estas líneas y al apantallamiento natural que le brindan los árboles, las edificaciones y en muchas ocasiones otras líneas aéreas de mayor nivel de tensión. El mecanismo de inducción de la tensión en una línea eléctrica producto de un rayo cercano es mucho más complejo. Debido a la tensión inducida en un punto de una línea aérea producto de un rayo a tierra en su cercanía tiene dos componentes:

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La debida a la inducción electrostática en la línea. La debida a la inducción entre línea y tierra producto de la variación del c ampo magnético producido por la corriente de la descarga principal del rayo.

Además como se planteó anteriormente en las sobretensiones externas la energía de las mismas es aportada por el campo eléctrico creado durante el proceso de acumulación de grandes cantidades de cargas eléctricas en la nube y las inducidas por ellas en la superficie de la tierra. En este tipo de sobretensión el elemento activo es la nube, mientras que la tierra se comporta como el elemento pasivo, por lo que la acumulación de cargas en su superficie, o en los objetos que están sobre ella, se debe exclusivamente a la inducción electrostática. Las principales formas de manifestarse las sobretensiones externas son: 1) Descargas atmosféricas que impactan directamente en cualquier elemento del sistema 2) Tensiones inducidas por descargas atmosféricas cercanas a las líneas y subestaciones 3) Tensiones electrostáticas inducidas en las líneas por las cargas almacenadas en las nubes. En todos los casos señalados se producen en el sistema ondas de tensión de corriente que se propagan por los mismos y que inciden sobre los aisladores, transformadores, interruptores, etc., pudiendo llegar a ocasionar daños de consideración en el aislamiento de los mismos. Las normas internacionales plantean que para estudiar el efecto de estas ondas sobre las componentes y aparatos de los sistemas eléctricos es necesario someter a los mismos a pruebas con ondas de tensión y corriente típicas. Las sobretensiones atmosféricas están caracterizadas por un frente de onda de algunos microsegundos a pocas decenas de microsegundos. Una sobretensión de cualquier otro origen, que tenga características de frente de onda similares a las utilizadas para definir las sobretensiones atmosféricas, también se clasifica como sobretensión atmosférica. un ejemplo típico de una sobretensión atmosférica, obtenida en bornes de un transformador de un estudio de inyección de sobretensiones en una subestación, incluyéndose, por lo tanto, el efecto de los descargadores que limitan la amplitud de la sobretensión. Se puede observar que la tensión resultante es unidireccional y con un pico máximo bien definido.

3.2.1. Descarga atmosférica Son fenómenos meteorológicos, los cuales poseen cargas positivas y cargas negativas distribuidas en las nubes de forma no homogénea y al crear un gradiente de voltaje, ionizando el medio origina un intercambio de elementos produciendo una descarga con gran magnitud de voltaje, esta descarga se precipitan en la corteza terrestre a través de la ionización del medio debido al campo eléctrico provocado. Una descara atmosférica, o rayo como se conoce coloquialmente, es una descarga eléctrica que se produce entre nube y tierra (o viceversa), entre nubes o dentro de una misma nube. Ésta se encuentra acompañada de un destello luminoso, conocido como relámpago, y una onda de sonido muy fuerte, el trueno. Tipos de descarga atmosféricas Página 7


-

Descarga directa sobre la línea (Descarga directa) Descargas entre nubes próximas a líneas (descarga inductiva) Descarga entre líneas y tierra (descarga indirecta).

Sobretensiones inducidas en conductores de fase y guarda. Las sobretensiones inducidas en conductores debidos a un impacto directo o remoto dependen básicamente de la velocidad del incremento de la corriente y de la inductancia que presente los bucles de los conductores. Una descarga atmosférica, tienes 3 formas de influir sobre una línea eléctrica:

1. Que la descarga impacte directamente sobre un conductor de fase. En este caso, cuando se trata de sistemas con aislamientos en el orden de 100 – 200KV, se considera que este tipo de impacto en el 100% de los casos ocasionan ruptura de la rigidez dieléctrica del aislamiento y por lo tanto una falla. 2. Que la descarga incida en el conductor de guarda. En este caso, la posibilidad de falla depende directamente de factores como la magnitud de la descarga y la resistencia de puesta a tierra de la línea en las estructuras próximas a la incidencia de la descarga. 3. Que la descarga puede incidir directamente a tierra en la cercanía de una línea eléctrica aérea entre 2 y 3 kilómetros. En este caso, al incidir la descarga a tierra esta produce variaciones en el campo electromagnético próximos a la línea, produciendo tensiones transitorias rápidas inducidas en los conductores aéreos, de magnitudes considerables que de alcanzar los niveles de aislamiento del sistema, pueden producir fallas en estos.

3.3.2. Sobretensiones de Tipo Externas Las Sobretensiones externas son unos fenómenos de aumento de la tensión del sistema producidas por agentes externos al sistema, como las descargas eléctricas atmosféricas. Estas descargas tienen una velocidad de propagación próxima a la velocidad de la luz (300000Km/s). Normalmente estas se manifiestan en forma de frente escarpado, alcanzando su valor medio en el corto tiempo de 1 ms y disminuyendo su valor a cero en unos 100ms. Los Fenómenos más importantes creadores de Sobretensiones Externas son la s siguientes

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-

Inducción electrostática Cargas de los conductores por roce del aire que circulas sobre ello Descargas atmosféricas directas Descargas atmosféricas indirectas cercanas al sistema

3.3.3. Como afectan las Sobretensiones Externas o Atmosférica

Estas son unas de las principales fallas y averías en redes de transporte y distribución de energía eléctrica, se originan debido a la incidencia directa de los rayos en las líneas de transmisión o de manera inducida a su vez estas generan ondas viajeras con magnitud superior a la línea que soporto ante los impulsos de un rayo generando fallas que interrumpen la continuidad del servicio.

3.3.4. Teoría de la Formación de un Rayo

Teoría de Simpson : Esta teoría se baso en la desintegración de gotas de lluvia por la acción de la corriente de aire, cuando se desintegran las gotas de lluvia por una fuerte corriente de aire, las partículas así formadas se denota una carga positiva, y el aire a su vez, acusa la presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa, y por consiguiente de mayor movilidad. Teoría de Wilson: Conocida también como la ionización de la gota de lluvia, esta teoría se basa en el intercambio de cargas entre las gotas, y explico que en la gota al caer se separan las cargas eléctrica por la acción de un campo eléctrico de por si existente. En la gota la parte superior tiene carga negativa y la parte inferior tiene carga positiva.

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Teoría de Elster y Geitel: Esta teoría se baso en la influencia eléctrica, explicando la influencia del campo eléctrico existente en las gotas, asumiendo que las nubes están cargadas de gotas grandes y pequeñas, las gotas grandes se precipitan donde predominan las cargas negativas y las pequeñas son llevadas por el viento hacia arriba donde predominan las cargas positivas, el roce entre una gota grande y pequeña trae como consecuencia un intercambio de cargas.

Principio de Apantallamiento en las Lineas de Transmisión. Los mástiles y los cables protectores basan su operación en el principio de apantallamiento, en donde el principio fundamental es la protección contra descargas atmosféricas. Es proporcionar los medios por los cuales las descargas pueden entrar o dejar a tierra sin daños resultantes o perdidas por causas de incidencias de los rayos.

-

Cables de Protección Cable de guarda Pararrayo Los mástiles Descargaderos 

Descargas directas :

El flameo entre conductores es más intenso por el factor de acople inductivo 

Descargas indirectas:

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Se presentan comúnmente en líneas de trasmisión 

Apantallamiento :

Permite garantizar condiciones de descarga atmosférica directa o indirecta. 

seguridad

en

edificios

ante

una

Cable de guarda:

Conductor contra sobretensiones internas o externas .



Flameo:

Inestabilidad aerostática por la cual una estructura al vibrar adsorbe energía del fluido circundante de tal forma que es incapaz de disipar en un ciclo de vibración toda la energía que absorbe. 

Bill :

Correspondiente al nivel básico de aislamiento 

Nivel isoceraunico:

Se produce como el número de tormentas eléctricas que se producen en un año

4. Protección Contra Sobretensiones En Líneas De Alta Tensión. Son de sobras conocidas las tormentas con fuerte aparato eléctrico, estas producen sobretensiones en las redes aéreas de alta tensión que si no son despejadas adecuadamente pueden destruir instalaciones, desconexiones que dejan sin energía a industrias y viviendas, incendios y en el peor de los casos pérdidas humanas. En estas líneas no solamente afectan las sobretensiones por tormentas también afectan sobretensiones producidas por maniobras dentro de la misma instalación, magnetización de nucleos de transformadores, etc. Por tanto, y para evitar las nefastas consecuencias de las sobretensiones se utilizan parararrayos para poder mantener las instalaciones en condiciones adecuadas de servicio y seguridad, además de mantener los valores de tensión dentro de los límites que fijan los reglamentos. Página 11


Dentro de la coordinación de aislamiento de una línea eléctrica de alta tensión se utilizan diversos métodos para protegerlas de las sobretensiones como por ejemplo el hilo de guarda, pero en esta entrada tan solo trataremos de forma general los pararrayos denominados "de cuernos" y los pararrayos autovalvulares.

En esta torre de AT se pueden apreciar dos líneas trifásicas (una a cada lado) y arriba del todo un cable: es el hilo de guarda que se utiliza para proteger las líneas contra las descargas atmosféricas, dicho hilo de guarda y la torre metálica están conectadas rígidamente a tierra. En términos generales denominamos sobretensión a todo incremento de la tensión nominal capaz de poner en peligro la aparamenta eléctrica o los receptores conectados a la red de suministro, atendiendo al origen podemos dividir las sobretensiones en dos tipos: Sobretensiones externas: son aquellas provocadas por fenómenos atmosféricos, ya sea por el impacto directo de un rayo en una línea o por la descarga de un rayo en la proximidad de la línea, se les denomina onda de impulso tipo rayo. Sobretensiones internas: onda a frecuencia industrial (en Europa 50 Hz en América 60 Hz), debidas normalmente a variaciones bruscas de la carga, corrientes inductivas, conexiones y desconexiones de líneas en vacío, magnetización de núcleos de tranformadores, maniobras realizadas incorrectamente, etc. En alta tensión (AT) y media tensión (MT) los elementos que se utilizan para poder reducir los efectos de las sobretensiones transitorias de gran amplitud son los explosores (pararrayos de cuernos) y los pararrayos autovalvulares.

4.1. ¿Dónde se instalan?

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En el punto de la instalación donde la probabilidad de sufrir una sobretensión es mayor, así como en las entradas de los centros de transformación (CT) intemperie, estos dispositivos se presentan como la parte más débil en el aislamiento de la instalación con el objetivo que se produzca un arco o descarga de la sobretensión en el explosor o pararrayos valvular antes que en otras partes de la instalación. Como hemos comentado los explosores se instalan en:  

líneas aéreas de AT. líneas aéreas (catenarias) de tracción eléctrica, trenes, tranvías, troles, etc.

Los pararrayos autovalvulares se instalan en:

-

En la entrada de los CT de intemperie para proteger al transformador de sobretensiones. En entradas y salidas de subestaciones. Protegiendo transformadores en subestaciones. Paso de una línea aérea a subterránea. Líneas aéreas de tracción para tranvias, trenes, etc.

En ciertas instalaciones de tracción las autoválvulas también se utilizan en estructuras metálicas que por sus proximidades pasan líneas aéreas de tracción eléctrica (llamadas catenarias), se instalan para que en caso de que exista una derivación de la línea eléctrica de tracción a la estructura metálica se produzcan tensiones peligrosas para la instalación y las personas. Dicha autoválvula se conecta entre la estructura metálica y tierra, en caso de defecto unirá ambas poniéndolas al mismo potencial. Un ejemplo clásico de este tipo son los puentes metálicos que cruzan las vías que por debajo pasan catenarias.

4.2. Tipos de protecciones contra sobretensiones 4.2.1. Explosores o pararrayos de "cuernos" El explosor sería el sistema de protección más sencillo y económico que existe, consiste en dos varillas (también conocidas como electrodos) de las cuales una se conecta a la catenaria o conductor a proteger de las sobretensiones y la otra varilla se conecta a tierra. Otros tipos de explosores llevan una varilla central, llamada varilla antipájaros, justo en medio como protección de la avifauna ya que si se quedase un ave entre las dos varillas no solamente crearía un cortotcircuito electrocutando al ave sino que además si se quedase la misma enganchada tendríamos con cortocircuito permanente que nos haría disparar la protección pertinente de esa línea o catenaria. Las dos varillas están dispuestas de tal forma que al aparecer el arco como consecuencia de la evacuación de una sobretensión alargan el arco consiguiendo que se reestablezcan rápidamente las condiciones de rigidez dieléctrica, aun siendo así de sencillo los explosores tienen una serie de inconvenientes, entre ellos que deja pasar ciertas sobretensiones, en redes de AT se han ido sustituyendo por los pararrayos autovalvulares. Las catengarias de RENFE emplean explosores.

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Explosor típico. Foto sacada del Cuardeno Técnico 151 de Schneider Electric.

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Explosores de las catenarias de Renfe (Red española nacional de ferrocarriles) a Sant Adrià de Besòs. Fotos: Viatger.

4.2.2. Pararrayos autoválvulares. Existen diferentes tipos pero los más utilizados en AT y MT son:

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De óxido de zinc (ZnO). Varistancias y explosores.

Los de varistancias y explosores constan de varios explosores en serie y unas resistencias ( de carbono de silicio, SiC) no lineales que limitan la corriente tras el paso de la onda de choque de la sobretensión. Según el país del que se trate se les denomina de una u otra forma, en España son conocidos por pararrayos PE, las características a tener en cuenta para definir un pararrayos PE son:

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Tensión de extinción o tensión asignada: Voltaje más elevado a la frecuencia industrial que el pararrayos puede descebar expontáneamente o por si mismo.

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Tensión de cebado: Irá en relación dependiendo si se refiere a sobretensiones por rayo, a frecuencia industrial, etc.

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Poder de descarga: de la corriente de choque. Es la capacidad de disipación de energía.

Los de óxidos de zinc (ZnO) se les denomina también pararrayos de óxidos metálicos (POM), este tipo no presenta explosores por tanto la autoválvula es conductora de forma permanente para el voltaje nominal de la red que protege, si bien que la corriente es de 10 mA que como es obvio no proporciona problema alguno, es decir, este tipo de autoválvulas solamente está formada por varistancias, además, son más fiables que los anteriores.

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Partes de un tipo pararrayos de ZnO utilizado por las compañías francesas de electricidad en redes de 20 Kv. Imagen sacada del Cuaderno Técnico 151 de Schneider Electric. Las características esenciales de este tipo de autoválvula son:

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Tensión máxima de servicio permanente. Tensión asignada. Nivel de protección. Corriente nominal de descarga. Capacidad de soportar la energía disipada.

Aplicaciones más usuales de las autoválvulas. Seguidamente mostramos unas fotos de las aplicaciones más frecuentes de este tipo de autoválvulas, existen autoválvulas que con una descarga se tienen que cambiar, existen modelos que se debe tomar la resistencia eléctrica sin servicio y si está por debajo de unos valores prefijados se deberá cambiar y por último existen fabricantes que dan un número de descargas que puede efectuar la autoválvula, en redes de MT suelen ser 500 descargas, y como no puede ser de otra forma nos preguntaremos, ¿cómo sabremos que ha realizado el número de descargas? Muy sencillo se recomienda instalar un contador de descargas para saberlo, como he comentado muchas veces lo mejor es la consulta al fabrican te para poder realizar una instalación y mantenimiento adecuado.

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Autotransformador en subestación, a la izquierda se pueden ver las autoválvulas que lo protegen contra sobretensiones.

Autoválvulas a la entrada de un CT tipo "caseta"a Pessonada. Fotos: Viatger. Página 17


En esta foto se puede apreciar el paso de línea aérea a suberránea con sus autoválvulas correspondientes. Fotos: Viatger.

4.3. Consejos para instalación de pararrayos autovalvulares en CT de MT. Se deben instalar las autoválvulas lo más cerca del transformador, a menos de 10 metros si es posible, la mejor opción es colocarlos en las mismas bornas del transformador. Se deberían instalar autoválvulas fase-tierra cuando el nivel isoceráunico sea mayor de 25 o en el caso que el CT sea alimentado por una línea aéreo-subterránea y la línea subterránea sea mayor de 20 metros.

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Foto sacada del Cuardeno Técnico 151 de Schneider Electric. Lugar donde deben colocarse las autoválvulas en los CT alimentados por una línea aéreosubterránea y principio del cableado correcto de los pararrayos autoválvulas . Imágenes sacadas del Cuaderno Técnico 151 de Schneiderelectric.

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Pararrayos autovalvular en catenaria del tranvía TRAMBESÒS, Sant Adrià de Besòs. Fotos: Viatger.

Contador de descargas para saber la vida de las autoválvulas. Foto sacada de catálogo SIEMENS. Página 20


5. Métodos De Control De Las Sobretensiones Los equipamientos son solicitados por las sobretensiones durante todo 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.

5.1. 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.

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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. 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. Página 22


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.

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 es 1.2/50 microsegundos.

normalizada

que

simula

la

descarga

atmosférica

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 Página 23


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 tensión-tiempo, 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.

5.2. 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). Página 24


5.3. 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 ho rnos de arco).

5.4. 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. La presencia de descargadores de óxido de cinc, 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.

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6. Bibliografía -

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http://schaelleo.blogspot.com/2012/06/sobretensiones-internas.html http://es.scribd.com/doc/127040798/115698553-sobretensiones-internas http://sobretensioneselectricas.blogspot.com/2012/06/sobretensiones-externas.html http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/Libros%202007/libros/altatens/at-07/cap7.htm http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/sobretensiones_trafo.pdf http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Inve stigacion/Agosto_2011/MURILLO%20MANRIQUE_FIEE/Sobretensiones%20transitorias %20por%20maniobra.pdf http://sobretension.blogspot.com/2012/06/tipos-de-sobretensiones.html http://electricidad-viatger.blogspot.com/2010/01/proteccion-contra-sobretensionesen.html

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Sobre Tension Es

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