ingeniería eléctrica

 PROCESOS ELECTROMAGNETICOS OSCILATORIOS Y DE CHOQUE

Características de las sobretensiones atmosféricas

La observación ha demostrado que la corriente debida a los rayos presenta en cada caso características distintas. El único elemento común a todos los rayos es la forma de la corriente: no es oscilatoria, es unidireccional es decir de una única polaridad.

El comportamiento típico de la corriente de un rayo se indica en la figura 62.

En la onda de corriente se pueden distinguir:

• El frente, lapso que va desde el inicio de la onda a su valor de pico
• La cola, parte que sigue al frente.

En general las magnitudes características de la onda de corriente se encuentran dentro de los siguientes límites:

• duración del frente: 0.5 a 20 m s
• duración del hemivalor en la cola: 15 a 90 m s
• duración de la cola: 300 a 300000 m s

La amplitud de la corriente de descarga alcanza sólo en un pequeño porcentaje valores del orden de 100 a 150 kA, en el 80% de los casos la corriente de descarga es inferior a 40 kA.

La onda de corriente está relacionada con la onda de tensión a través de la impedancia que ven en su avance.

Propagación de las sobretensiones atmosféricas

En el caso de líneas aéreas la velocidad de propagación alcanza valores alrededor de 300 m/m s, es decir prácticamente la velocidad de la luz, mientras que la impedancia característica  (donde l y c son la inductancia y la capacidad por unidad de longitud) es un valor bastante constante alrededor de 400 a 600 W .

En el caso de cables la velocidad de propagación resulta de 150 a 160 m/m s y la impedancia característica alcanza valores más bajos, entre 30 a 50 W.

El comportamiento del fenómeno se puede sintetizar en dos casos que dependen de lo que se produce en el momento en que la sobretensión alcanza la primera cadena de aisladores:

• Si la amplitud de la sobretensión es menor de la que provocaría un arco eléctrico en la cadena de aisladores, la onda se propaga a lo largo de la línea manteniendo su forma y termina alcanzando los aparatos que se encuentran en la extremidad de la línea figura 63a.
• Si la sobretensión alcanza una amplitud tal de provocar el arco en la cadena de aisladores, la corriente del rayo se descarga hacia tierra y la onda de tensión se trunca. Esta onda truncada se propaga alcanzando los aparatos ubicados en la extremidad de la línea figura 63b.

Los dos tipos de fenómenos considerados permiten individualizar dos formas típicas de sobretensiones de origen atmosférico que tienen características como se indica en la figura 64a-b onda plena y cortada respectivamente.

Estas sobretensiones pueden solicitar peligrosamente los aislantes de las máquinas (transformadores en particular) y de los aparatos con consecuencias a veces graves.

Un dato básico para el diseño de una línea de media y alta tensión frente a este tipo se sobretensiones, es la frecuencia de caída de rayos por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Esta frecuencia se expresa en número de rayos por km² y por año, en la figura 64c se muestran las densidades ceraúnicas para las distintas zonas.

Este valor es función del nivel isoceráunico de la zona, que es el valor medio de los días de tormenta al año en dicha zona, en la figura 64d se muestras estas curvas de niveles. Los niveles y densidades ceraúnicas continentales de la República Argentina se obtienen del Anexo B de la Norma IRAM 2184-1-1.

Deformación de las ondas por causa de bobinas y capacitores

Una sobretensión que viaja hacia el extremo de una línea abierta se refleja, duplicando su valor, y retorna superponiéndose a la onda incidente.

Si en el extremo de la línea hay un capacitor la onda reflejada tiene un frente suavizado (crece exponencialmente) por el fenómeno de carga del capacitor figura 65.

Una línea con intercalada una reactancia, o dos líneas de distintas impedancias separadas por una reactancia, esta ultima produce la modificación de la onda que se propaga, en parte reflexión de la onda con frente abrupto, y en cambio la onda que prosigue es con frente suave.

En el pasado se ponían bobinas con el objeto de proteger de sobretensiones viajeras los equipos ubicados a continuación, obsérvese que en cambio la línea es exigida con la onda reflejada de valor elevado.

Otra posibilidad es la existencia de un capacitor en un punto de la línea, la onda que continua se suaviza, y la reflejada también figura 66.

La explicación de estos fenómenos requiere la resolución de las ecuaciones de propagación en líneas, por el momento es suficiente saber que estos estudios no son inmediatos ni simples.

Características de los aislamientos

Los aislamientos, de una forma general, abarcan las distancias en aire, los aislamientos sólidos y los inmersos en líquido aislante. De acuerdo con la finalidad a que se destinan, se los clasifica como aptos para uso externo o uso interno, conforme se los utilice en instalaciones sujetas a agentes externos, tales como humedad, polución, intemperie, etc., o no respectivamente.

Además de esa clasificación, de orden general existe otra de mayor importancia, desde el punto de vista del aislamiento, que es aquella que diferencia los aislamientos entre autoregenerativos y no regenerativos.

Los aislamientos autoregenerativos son aquellos que tienen capacidad de recuperación de su rigidez dieléctrica, después de ocurrida una descarga (ruptura dieléctrica) causada por la aplicación de una sobretensión.

En una subestación, los aislamientos autoregenerativos de los componentes pueden ser clasificados en dos grupos, dependiendo del tipo de utilización. El primer grupo es el de los aislamientos de los equipamientos, tales como: parte externa de los aisladores de los transformadores de potencia, reactores y transformadores de medición y parte externa de los equipamientos de maniobra y de medición (interruptores, seccionadores y divisores capacitivos de tensión). Las partes internas de esos equipamientos, son de tipo no regenerativo y, por lo tanto, los equipamientos citados anteriormente poseen ambos tipos de aislamientos.

El segundo grupo de aislamientos es el que se refiere, solamente, a instalaciones propiamente dichas. En este grupo están incluidos los aislamientos en aire, correspondientes a la distancia conductor-estructura, barras-estructura, parte con tensión del equipamiento-estructura y conductor- conductor, los soportes aisladores, las cadenas de aisladores y las columnas aislantes de las bobinas de bloqueo. Todos estos son regenerativos.

Los aislamientos no regenerativos son aquellos que no tienen capacidad de recuperación de su rigidez dieléctrica, después de la ocurrencia de una descarga causada por la aplicación de una sobretensión. Habiendo la descarga dañado parcial o totalmente el aislamiento no regenerativo. Los elementos más importantes de una subestación están constituidos por este tipo de aislamiento, principalmente en su parte interna, como los transformadores de potencia y los reactores.

Principios básicos de coordinación del aislamiento

Se denomina coordinación del aislamiento al conjunto de procedimientos, utilizados principalmente para la especificación de los equipamientos, que tiene por objetivo fundamental la reducción, a nivel económico y operacional aceptable, de la probabilidad de fallas en los equipamientos y falta de suministro de energía, teniendo en cuenta las solicitaciones que pueden ocurrir en el sistema y las características de los dispositivos de protección.

Para efectuar la coordinación del aislamiento se actúa en dos direcciones:

• 1. Las máquinas y los aparatos se construyen de manera que sean capaces de soportar sin daños las solicitaciones provocadas por las sobretensiones de tipo atmosférico o de origen interno (maniobra) contenidas dentro de ciertos niveles.
• 2. Con oportunos aparatos de protección (descargadores) y adoptando particulares criterios de construcción de las instalaciones, se trata de contener las sobretensiones dentro de los niveles tolerables para las máquinas y los equipos.

Las solicitaciones eléctricas se caracterizan por una magnitud y una duración y están, normalmente, asociadas a una probabilidad de ocurrencia.

Coordinación de la aislación (relación entre valores)

Con este nombre se trata la selección de la capacidad de soportar las distintas solicitaciones dieléctricas que deben tener materiales, equipos e instalación en función de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerando también las características de los dispositivos de protección disponibles.

El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensión máxima que se presenta en un punto de la red y elegir, con carácter ampliamente empírico, una tensión de ensayo que presente un margen de seguridad conveniente.

En muchos casos la elección del nivel de aislación es hecha simplemente en base a experiencia adquirida en redes análogas.

Una forma más elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar el carácter de fenómeno aleatorio que tienen las sobretensiones.

Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economía y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones que causen daños al equipo o afecten la continuidad del servicio.

No es económico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales.

Se admite que aún en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio económico basado en costo y continuidad del servicio.

La coordinación de la aislación está esencialmente basada en limitar el riesgo de falla, en lugar de fijar a priori un margen de seguridad.

Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 % de seguridad contra fallas.

La aislación puede ser externa, en aire atmosférico o de superficies en contacto con la atmósfera sometidas a la influencia de condiciones atmosféricas, polución, humedad, etc., interna, sólida, líquida o gaseosa, protegida de la influencia atmosférica.

La aislación externa puede ser para interior, protegida de la intemperie, o para exterior.

Se dice que una aislación tiene capacidad de regeneración cuando después de una descarga disruptiva recupera íntegramente sus características aislantes.

La capacidad de regeneración distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas, de las sólidas, una perforación del dieléctrico, para estas últimas, es un daño permanente, en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada, y transcurrido cierto tiempo, generalmente breve, no afecta las características de la aislación.

En consecuencia, mientras que las aislaciones en aire pueden fallar, las aislaciones sólidas no deben fallar; en otras palabras, los puntos débiles de la instalación deben tener capacidad de regeneración.

Las características de aislación de un aparato están ligadas a:

• La tensión nominal de la red, valor eficaz de la tensión entre fases a la que se refieren algunas características de funcionamiento de la misma.
• Tensión más elevada de la red, que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotación normales. Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones).

El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensión más elevada sea mayor o igual a la tensión más elevada de la red en la cual se utilizará el material.

Mientras que por encima de los 100 kV la tensión más elevada de la red coincide con la del material utilizado, por debajo de dicha tensión estos valores pueden ser distintos, lógicamente la tensión más elevada de la red debe ser igual o menor de la del material.

Veamos algún ejemplo:

• La red de 132 kV, tiene una tensión máxima de servicio de 145 kV, por lo tanto los equipos que se utilizan en ella tienen tensión nominal 145 kV, no habiendo objeción en utilizar equipos de mayor tensión (170 kV) pero que cuestan más.
• En media tensión la industria produce equipos de tensiones nominales de 12 kV, y 17.5 kV según el origen (país) de los equipos. Nuestras redes de media tensión son de tensión nominal 13.2 kV, y con tensión máxima de servicio de 14.5 kV y por lo tanto sólo admiten el uso de equipos de 17.5 kV (o de 24 kV) pero no de 12 kV.

Se dice que el material es sometido a una sobretensión cuando la tensión en función del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra, y entre fases que corresponden a la tensión más elevada del material.

Las sobretensiones son siempre fenómenos transitorios.

Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto, con sistemas de tensión superior, fallas intermitentes, conexiones en autotransformador, condiciones de ferroresonancia.

Las únicas sobretensiones que se presentan son entonces:

• Tensión a frecuencia industrial en condiciones normales.
• Sobretensiones temporarias.
• Sobretensiones de maniobra.
• Sobretensiones atmosféricas.

Para las aislaciones sujetas a contaminación o envejecimiento, debe considerarse que el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida varía.

Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento.

Fenómenos particulares

Una onda viajera mantiene prácticamente las mismas características (forma) en cualquier punto de la línea, y también en función del tiempo, hasta que no se verifique una discontinuidad en los parámetros de la línea misma.

Es necesario examinar que ocurre cuando las ondas viajeras de tensión y corriente alcanzan estos puntos singulares.

En cada instante se cumple la relación  siendo Z la impedancia característica de la línea.

En los puntos de discontinuidad se verifican entonces fenómenos de reflexión y refracción: el primero de estos fenómenos admite que parte de la onda incidente sea rechazada hacia el punto de origen, mientras que el fenómeno de refracción se refiere a aquella parte de la onda que prosigue su camino en el sentido en que se originó.

El caso de una línea aérea conectada a un cable es un ejemplo de un punto singular, debido a que en ese punto se tiene un cambio en el valor de la impedancia característica.

Fenómenos de resonancia

En la mayor parte de los casos los fenómenos de resonancia se presentan a continuación de fallas, y en particular con la interrupción de los conductores.

Un caso frecuente que puede verificarse en las instalaciones se muestra en la figura 67 donde se considera una línea de transmisión que alimenta un transformador en vacío, en la cual se tiene la interrupción de un conductor.

Las capacidades C1 y C2 representan la capacidad a tierra de los tramos de conductor interrumpido, se desprecia la capacidad existente entre el conductor interrumpido y el sano y entre éste último y tierra.

Estas simplificaciones son lícitas para un examen cualitativo de los fenómenos que consideramos.

Considerando en R todas las resistencias del circuito y de los elementos disipativos en él contenidos, se tiene la siguiente ecuación:

las condiciones de resonancia se presentan cuando:

Los efectos que los fenómenos de resonancia pueden provocar se deben estudiar considerando la sobretensión entre bornes del transformador y entre los conductores de la línea, que pueden dar lugar a arcos externos, o peor, perforación de los aislantes líquidos o sólidos en el transformador.

Fenómenos de ferroresonancia

Fenómenos más complejos que los anteriormente descriptos se pueden presentar por la presencia de circuitos magnéticos saturables.

Para ver este fenómeno supongamos un generador de tensión alterna que alimenta un capacitor C en serie con una inductancia L con núcleo de hierro, se consideran despreciables la resistencia óhmica del circuito y los fenómenos disipativos del núcleo magnético y del capacitor.

Para cada condición de funcionamiento (valor de la corriente) la tensión de alimentación debe ser igual a la suma de las tensiones en bornes del capacitor y de la inductancia:

La tensión en bornes de la inductancia no es proporcional a la corriente, es una función de ésta según la característica de magnetización

La tensión en bornes del capacitor es en cambio proporcional a la corriente y la pendiente de esta característica es función de la capacidad (a un aumento de capacidad corresponde a una disminución de la pendiente).

Se puede obtener la siguiente relación:

y de esta expresión mediante un método gráfico determinar la solución del problema.

La recta que representa la tensión en bornes del capacitor cruza la característica de la inductancia en dos puntos que corresponden a dos condiciones estables de funcionamiento (P y P´). De estos dos puntos el de funcionamiento normal es P que se encuentra en el primer cuadrante figura 68.

Si el punto P se encuentra próximo al codo de la característica de la inductancia, por efecto de un brusco aumento de la tensión de alimentación (D V), o por una brusca disminución de la capacidad del circuito (cambio de la pendiente), puede ocurrir que este punto se desplace de modo que las dos características no se cruzan más en el primer cuadrante, sino sólo en el punto P´ del tercer cuadrante.

En este caso la corriente del circuito cambia su fase desplazándose en adelanto de un cuarto de período (prevalece el efecto capacitivo).

Para este punto corresponden valores muy elevados de tensión tanto en el capacitor como en la inductancia y son estas las condiciones que en los casos prácticos son particularmente peligrosas.