SOBRETENSIONES INTERNAS

TÉCNICAS DE ALTA ALTA TENSIÓN

DEDICATORIA

El presente tema de investigación inves tigación está dedicado a él docente Ing. Holger Meza Delgado, por brindarme su guía y sabiduría que en este andar por la vida, v ida, quién influye con sus lecciones y experiencias en formarme como una persona de bien y preparada profesionalmente para los retos que pone la vida.

INGENIERÍA ELÉCTRICA - UNSA

Página 1

TÉCNICAS DE ALTA ALTA TENSIÓN INDICE SOBRETENSIONES INTERNAS

INTRODUCCION ....................................................................................................................... 5

SOBRETENSIONES DE SERVICIO (TEMPORALES) ........................................................ 12

Efecto ferranti ............................................................................................................... 13 Ferrorresonancia ...................................................... .......................................................................................................... ...................................................... 14 Resonancia .................................................................................................................... 15 Fallas a tierra .................................................. ....................................................................................................... ............................................................... .......... 15 Sobretensiones de puesta a tierra. ..................................................... ................................................................................ ........................... 16

............................. 16 ............................................................................... .................. 20 PARARRAYOS AUTOVÁLVULARES ............................................................. APLICACIONES MÁS USUALES DE LAS AUTOVÁLVULAS ................ ........................................... ........................... 22 CONSEJOS PARA INSTALACION DE PARARRAYOS AUTOVÁLVULARES EN CT Y MT

.......................................................................................................................................... 25 ...................................... 27 ENERGIZACIÓN DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN EN VACÍO ...................................... CARGA ATRAPADA EN LÍNEAS DE VACÍO ...................................................................... 29

................................................................................................ .......... 32 PERDIDA DE CARGA ................................................................................................ SOBRETENSIONES POR EL ESTABLECIMIENTO O INTERRUPCIÓN DE CORRIENTES

..................... .......... 34 CAPACITIVAS E INDUCTIVAS (TRANSFORMADORES Y CAPACITORES) ........... ........................................................... 37 INTERRUPCIÓN DE CORRIENTES INDUCTIVAS.- ...........................................................


Página 2

TÉCNICAS DE ALTA ALTA TENSIÓN INDICE SOBRETENSIONES INTERNAS

INTRODUCCION ....................................................................................................................... 5

SOBRETENSIONES DE SERVICIO (TEMPORALES) ........................................................ 12

Efecto ferranti ............................................................................................................... 13 Ferrorresonancia ...................................................... .......................................................................................................... ...................................................... 14 Resonancia .................................................................................................................... 15 Fallas a tierra .................................................. ....................................................................................................... ............................................................... .......... 15 Sobretensiones de puesta a tierra. ..................................................... ................................................................................ ........................... 16

............................. 16 ............................................................................... .................. 20 PARARRAYOS AUTOVÁLVULARES ............................................................. APLICACIONES MÁS USUALES DE LAS AUTOVÁLVULAS ................ ........................................... ........................... 22 CONSEJOS PARA INSTALACION DE PARARRAYOS AUTOVÁLVULARES EN CT Y MT

.......................................................................................................................................... 25 ...................................... 27 ENERGIZACIÓN DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN EN VACÍO ...................................... CARGA ATRAPADA EN LÍNEAS DE VACÍO ...................................................................... 29

................................................................................................ .......... 32 PERDIDA DE CARGA ................................................................................................ SOBRETENSIONES POR EL ESTABLECIMIENTO O INTERRUPCIÓN DE CORRIENTES

..................... .......... 34 CAPACITIVAS E INDUCTIVAS (TRANSFORMADORES Y CAPACITORES) ........... ........................................................... 37 INTERRUPCIÓN DE CORRIENTES INDUCTIVAS.- ...........................................................


Página 2

TÉCNICAS DE ALTA ALTA TENSIÓN MÉTODOS PARA CONTROLAR SOBRETENSIONES GENERADAS EN LA OPERACIÓN DE INTERRUPTORES DE POTENCIA ......... ............................................................... ........................................................................ .................. 40

................................................................................................. ........................................................................ .................... 43 CONCLUSIONES ............................................. ................................................................................................... ........................................................................ .................... 45 BIBLIOGRAFÍA ...............................................


Página 3

TÉCNICAS DE ALTA ALTA TENSIÓN

SOBRETENSIONES INTERNAS


Página 4

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN

INTRODUCCION En toda industria moderna , donde toda la maquinaria se mueve mediante energía eléctrica , los sistemas de transmisión y distribución eléctrica que alimentan al conjunto se encuentran sujetos a tensiones mucho mayores que la normal de servicio. Por eso las líneas y los aparatos del sistema tienen que estar construidos de manera que puedan soportar éstas sin perjuicio del funcionamiento normal , y es importante que el operario de la maquinaria y el personal de mantenimiento tenga conocimientos de los conceptos sobre el tema , por lo tanto a los mismos van dirigidas las siguientes páginas .

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


Página 5

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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 s ervicio y seguridad, además de mantener los valores de tensión dentro de los límites que fijan los reglamentos. 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.


Página 6


SOBRETENSIONES INTERNAS DEFINICION: 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.

CLASIFICACION DE SOBRETENSIONES INTERNAS A este grupo pertenecen las oscilaciones de intensidad de corriente, las variaciones de carga, las descargas a tierra, etc. En todos estos procesos, la energía acumulada en los elementos inductivos y capacitivos de los circuitos que comprenden una instalación, pueden llegar a descargar de tal modo que originen perjudiciales aumentos de la tensión. Esta clase de sobretensiones pueden preverse en gran parte y, por lo tanto, evitarse. Las sobretensiones de origen interno pueden, a su vez, clasificarse en dos categorías:


Página 7


SOBRETENSIONES DE MANIOBRA (TRANSITORIAS) Que designan los fenómenos transitorios que acompañan a los bruscos cambios de estado de una red, por ejemplo, maniobras de disyuntores, descargas a tierra, etc. 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. 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 los debido a: a)

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. b)

Recierre de una línea.

Tiene por objeto despejar la falla transitoria y por tanto tiene involucrado los procesos de apertura y cierre de los interruptores de potencia. Considerando el caso de que el interruptor de potencia tenga que desconectar una línea en vacío, debido a la naturaleza capacitiva del circuito al momento de interrumpir la corriente por su paso por cero, la tensión estará pasando por su valor máximo provocando así que las tres fases queden con


Página 8

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN una tensión aproximadamente iguales a la tensión fase tierra de la fuente de alimentación por consiguiente como producto de esta maniobra se genera la “carga atrapada.” Posteriormente se ejecuta el recierre que 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

c)

Apertura de una corriente capacitiva.

El caso de interrupción de una corriente capacitiva se puede representar en el circuito de la Fig. (a). El proceso de interrupción de la corriente por un interruptor, como es conocido, ocurre cuando la corriente pasa por cero y como en el caso analizado se trata de una corriente capacitiva existirá un desfasaje entre la tensión y la corriente de 90º tal como se muestra en la Fig. (b). Como se aprecia en la Fig. (b) ser interrumpida la corriente la tensión está en su valor máximo, por lo que el capacitor queda cargado al potencial máximo de la fuente. A medida que transcurre el tiempo la tensión que queda aplicada a los extremos del interruptor va aumentando; si la razón de crecimiento de la tensión entre los polos del interruptor es menor que la correspondiente al proceso de recobrado de las propiedades aislantes del medio que separa los contactos, el proceso de interrupción será completo y la energía almacenada en el capacitor se disipará debido a las pérdidas en el aislamiento. En


Página 9

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN caso contrario se reiniciará el arco entre los contactos del interruptor tal como se muestra en la Fig. (c), Fig. (d) y Fig. (e). En el caso de la Fig. (c), el reinicio del arco se efectúa antes de que la tensión haya cambiado de polaridad, condición para la cual se restablece la corriente de frecuencia de potencia, no produciéndose sobretensiones en el sistema, sólo una pequeña perturbación de frecuencia superior a la de potencia. En el caso de la Fig. (d) el arco se reinicia cuando la diferencia de potencial entre los contactos la máxima posible, pues la tensión ya ha invertido su polaridad y está en su valor negativo máximo, habiendo entre los contactos una tensión de 2 Umax: al reiniciarse el arco, si se establece de nuevo la corriente de frecuencia de potencia como es el caso de esta figura, el potencial de Cb tenderá a la tensión Ua después de un proceso oscilatorio el cual se propaga por la línea. Si por el contrario al pasar la corriente transitoria por su primer cero se extingue el arco eléctrico el condensador Cb quedará cargado a una tensión de -2 Umax tal como se muestra en la Fig. (e). En este último caso de nuevo la tensión entre los seguirá aumentando lo que puede producir otra reiniciación del arco entre los contactos, siendo la condición peor cuando la misma se presenta después que la tensión a invertido de nuevo su sentido y está en su valor máximo positivo, lo que puede en dicho caso producir una oscilación que va desde -2 Umax hasta 4 Umax produciéndose ya sobretensiones muy peligrosas para el aislamiento.


Página 10


d)

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.


Página 11

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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. La tensión que alcanza está dada por:

Como se puede ver la magnitud de la sobretensión dependerá básicamente de la magnitud de la corriente en el momento de la interrupción y de la relación entre la inductancia y la capacitancia del sistema.

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. Sus características son las siguientes: 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. El carácter de las sobretensiones producidas por tales oscilaciones, llamadas sobretensiones internas, es completamente distinta del de la elevación de la tensión debida a la autoexcitación de máquinas sincrónicas o al efecto Ferranti, pues en estos dos casos se trata de la elevación de la tensión de 50 Hz (ó 60 Hz. Según el país), mientras que las sobretensiones internas están caracterizadas por ondas de otra frecuencia que se superponen a la frecuencia básica. El transitorio es, casi siempre, una oscilación amortiguada de frecuencia media y escasa duración. Por el contrario, la forma de onda de las sobretensiones producidas por fenómenos estacionarios tienen una amplitud constante


Página 12

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN o casi constante; estas sobretensiones se desplazan por las líneas y aparatos en forma de ondas de choque, llamadas también ondas errantes. Una sobretnsion temporal no es mas que una sobretension de fase a tierra o de fase a fase, de relativamente larga duración y de débil amortiguamiento o no amortiguada comúnmente a frecuencia de potencia.

Efecto ferranti

Este efecto es debido a la capacitancia distribuida de la línea. El efecto Ferranti será más acentuado cuanto más larga sea la línea, y mayor el voltaje aplicado. La sobretensión es proporcional al cuadrado de la longitud de la línea. Debido a su alta capacitancia, éste efecto es mucho más pronunciado en cables subterráneos, incluso en líneas cortas. 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. La frecuencia de las sobretensiones internas está definida por la frecuencia natural del sistema siendo:


Página 13


Donde Csis y Lsis , indican la capacitancia correspondiente a la inductancia de todo el sistema de transmisión, y fsis, resulta del orden de 103 Hz. La amplitud de las oscilaciones depende principalmente de la conexión del punto neutro del sistema y también de la distribución de las inductancias y capacitancias. En sistemas con punto neutro, aislado se midieron, según Lewis, sobretensiones internas hasta cinco veces mayores que la tensión normal, mientras en sistemas con punto neutro conectado directamente a tierra no se registraron valores mayores de dos hasta tres veces la tensión normal. Ferrorresonancia

La ferroresonancia es un fenomeno de resonancia no lineal, es decir cuando se tiene por ejemplo una inductancia variable lo cual ocacionara que se puedan presentar var ios puntos de resosnacia y por ende una mayor posiblilidad de ocurrencia. Este tipo de fenomeno puede afectar a las redes electrica puesto que provoca la presencia de armonicos anormales y sobretenciones transistorias o premanentes que ponen e peligro al material electrico Esta puede ser iniciada por sobretenciones de origen atmosferico, conexión o desconexion de transformadores o de cargas, aparcicion o eliminacion de defectos, trabajos bajo tension, entre otros. Existe la posibilidad de trasicion brusca de un estado estable normal a otro estado estable ferrorresonantes caracterizados por fuertes sobretensiones y por importantes tasas de armonicos 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.


Página 14


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. Los fenómenos de resonancia comúnmente no provocan sobretensiones muy grandes debido a la magnitud tan considerable d las pérdidas en los circuitos comerciales, es decir, debido a que la corriente es limitada por la magnitud de la resistencia total del circuito; sin embargo, en algunos casos especiales en que las pérdidas sean pequeñas se pueden presentar sobretensiones de gran magnitud, como por ejemplo en el caso de pruebas de cables. Los sistemas eléctricos más factibles de confrontar estos problemas son aquellos que alimentan extensas redes basado en cables soterrados, condición esta que sólo se presentan los sistemas de distribución. En los sistemas de transmisión lo más común es la ferroresonancia.

Fallas a tierra

Es el tipo de falla que produce normalmente las máximas sobretensiones además de ser el tipo de fallas mas 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 esta unido rígidamente a tierra, la tensión en las fases sanas permanecen entre la tension simple y compuesta. Si la opuesta a tierra es con reactancia la sobretensión no excede del factor 1.5; los sistemas puesto a tierra a través de resistencia las sobretensiones pueden superar la tensión


Página 15

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN compuesta. Por ultimo los sistemas puesto a tierra con bobina permanente (con la que se busca la resonancia con la capacidad a tierra del sistema) las tensiones en las fases sanas no sobrepasan el valor de la tensión compuesta. Es de resaltar que las fallas a tierra son mayores para sistemas con neutro a tierra a través de resistencias que a través de reactancia para el mismo valor óhmico de ambas; las oscilaciones transitorias son mayores a con reactancia.

Sobretensiones de puesta a tierra. Se consideran solo las que forman parte de fenómenos transitorios producidos durante la puesta a tierra e interrupción de la misma. Los arcos que se producen son muy peligrosos y las sobretensiones pueden alcanzar valores de 3,1 veces la tensión nominal entre fases. 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.

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.


Página 16

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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 cruza las vías que por debajo pasan catenarias. 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


Página 17

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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 catenarias de RENFE emplean explosores.

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


Página 18


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


Página 19

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN PARARRAYOS AUTOVÁLVULARES Existen diferentes tipos pero los más utilizados en AT y MT son: 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: Tensión de extinción o tensión asignada: Voltaje más elevado a la frecuencia industrial que el pararrayos puede descebar expontáneamente o por si mismo. Tensión de cebado: Irá en relación dependiendo si se refiere a sobretensiones por rayo, a frecuencia industrial, etc. 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.


Página 20


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


Página 21

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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 fabricante para poder realizar una instalación y mantenimiento adecuado.

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


Página 22


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


Página 23


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


Página 24

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN CONSEJOS PARA INSTALACION DE PARARRAYOS AUTOVÁLVULARES EN CT Y 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.


Página 25


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.

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


Página 26


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

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 27

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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.


Página 28


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. 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. 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 onda resultante de la suma de los voltajes B y C.


Página 29



Página 30



Página 31


PERDIDA DE CARGA La pérdida 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 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 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.


Página 32


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.


Página 33


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.

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 muestra el circuito de carga capacitiva y el comportamiento de las ondas de corriente y tensión asociadas.


Página 34


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 continua 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.


Página 35

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Conforme la tensión de la fuente cambia de polaridad, la tensión de restablecimiento en el disyuntor aumenta hasta que la tensión de la fuente alcanza su valor máximo y la de restablecimiento 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 36

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Una vez que ha ocurrido la re ignición, 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 re ignición podría ocurrir cuando la tensión de restablecimiento alcance su nuevo valor máximo de hasta 4 p.u. Si nuevas re-igniciones 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.

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.


Página 37

TÉCNICAS DE ALTA 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 re ignición 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 restablecimiento crece instantáneamente hasta su valor máximo para luego amortiguarse.

Debido a que la tensión de restablecimiento se aplica entre los contactos del disyuntor, pueden existir condiciones de re ignición, en cuyo caso la corriente


Página 38

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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 restablecimiento vuelve a alcanzar su valor máximo que debido a estas condiciones es mucho mayor que en caso de no tener re ignición, alcanzando incluso valores mayores que la tensión de fuente. Este proceso se ilustra en la Figura 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 39


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.

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.


Página 40




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.

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.


Página 41




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


Página 42

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN 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 casos más importantes de desconexión que dan lugar a transitorios de sobretensiones son los siguientes:

-

CONCLUSIONES 

Las sobretensiones temporales 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. Y se generan por los fenómenos siguientes:





Fallas en el sistema



Rechazo de carga



Ferroresonancia en LT

La pérdida 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.


Página 43




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.


Página 44

SOBRETENSIONES INTERNAS

Recommend Documents