Las sobretensiones internas
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:
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.
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 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 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.
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.
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.
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. Sus
son las siguientes:
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.
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.
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 varios 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.
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 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.
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