ingeniería eléctrica

PROCESOS ELECTROMAGNETICOS OSCILATORIOS Y DE CHOQUE

Introducción

La construcción de instalaciones eléctricas requiere adquirir equipamientos eléctricos que deben seleccionarse entre los existentes en el mercado, en general no se construyen equipos especialmente para una dada instalación, por lo tanto se inicia desarrollando estudios que tienden a fijar las características que deberían tener estos equipos, y se verifican que éstas características entren dentro de los rangos normales de producción.

Los estudios en cuestión (con distintas finalidades) reciben distintos nombres, y en ellos se trata de representar el funcionamiento normal del sistema eléctrico (flujo de potencia que determina las corrientes nominales), las condiciones de corrientes de falla (estudios de cortocircuito para determinar la capacidad de interrupción y los esfuerzos), los estados de sobretensión (estudios transitorios para determinar los niveles de aislamiento).

Sobretensiones y sistemas de puesta a tierra

En los sistemas eléctricos, por distintas causas se presentan sobretensiones, que pueden producir colapsos de la aislación y en consecuencia daños y/o pérdida del servicio.

La aislación debe ser elegida económicamente, sobredimensionarla implica aumentos de tamaño y peso de los cables y equipos, aumento de la resistencia al flujo de calor (en consecuencia disminución de las densidades de corrientes y del aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos.

La aislación debe estar dimensionada para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentarán en servicio; resumiendo el párrafo anterior un ulterior sobredimensinamiento no implica beneficio alguno.

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.

El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del diseño, en forma tal de lograr que las sobretensiones sean mínimas, evitando configuraciones de la red que puedan causar sobretensiones, eligiendo componentes adecuados por sus parámetros y formas de operación, previendo y proyectando las protecciones oportunas.

Los valores de sobretensiones que se presentan están relacionados con las características de puesta a tierra del centro estrella del sistema eléctrico, pudiendo éste estar conectado rígidamente a tierra o aislado o en condiciones intermedias conectado a tierra a través de una impedancia (resistencia o reactancia).

Origen de las sobretensiones

Históricamente las sobretensiones se clasificaron por su origen, externas e internas, las primeras debidas a rayos, descargas atmosféricas y las segundas debidas particularmente a maniobras en la red.

Las solicitaciones en los equipamientos de un sistema eléctrico se originan por diversas causas y su estudio depende mucho del tipo de evento investigado.

Se hacen estudios de sobretensiones, cuyo objetivo es obtener los valores correspondientes a los fenómenos transitorios, resultados que se utilizan para la especificación de los equipos.

Estos estudios se pueden realizar con programas de computadora que incluyen modelos para cálculo numérico que resuelve las ecuaciones diferenciales que corresponden al sistema eléctrico (EMTP ElectroMagnetic Transient Program - ATP Alternative Transient Program).

Anteriormente estos estudios se realizaban mediante modelos a escala, simuladores analógicos donde están representados los elementos del sistema eléctrico (TNA Transient Network Analizer).

Ya hemos visto que las sobretensiones pueden ser clasificadas por su origen en forma muy amplia en dos grupos: sobretensiones externas y sobretensiones internas, respectivamente. Esta clasificación es meramente académica y no tiene en cuenta los intereses relacionados con la especificación de los equipamientos, siendo más adecuada otra clasificación, asociada con el tiempo de duración y el grado de amortiguamiento de las sobretensiones. Basándose en este concepto, por su forma y duración, se clasifican en sobretensiones de tipo atmosférico, sobretensiones de tipo de maniobra y sobretensiones temporarias.

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.

La figura 57 representa 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.

Las sobretensiones de maniobra resultan, principalmente por la apertura y cierre de circuitos y de fallas en el sistema eléctrico.

La figura 58 representa un ejemplo típico de una sobretensión de maniobra fuertemente amortiguada, que corresponde a una simulación de energización de una larga línea de transmisión (alimentada de un extremo y abierta en el otro extremo).

La figura 59 muestra un ejemplo típico de una sobretensión de maniobra oscilatoria, debida a una simulación de reconexión de carga en el sistema.

Los ejemplos más comunes de eventos que provocan sobretensiones de maniobra son energización y reconexión de líneas de transmisión, ocurrencia de fallas con desplazamiento del neutro y eliminación de fallas, energización de transformadores y reconexión de carga.

Las sobretensiones temporarias se caracterizan, principalmente, por su larga duración y picos de amplitud reducida. Están asociadas comúnmente a maniobras de reconexión de carga, ocurrencia de fallas con desplazamiento de neutro y energización de líneas en vacío.

Las tres categorías de sobretensiones discutidas hasta aquí son, generalmente, objeto de estudios para la determinación de las solicitaciones de los equipamientos de un sistema eléctrico.

Causas y efectos

En un sistema trifásico, equilibrado, la tensión hacia tierra es la tensión de fase 

Se denomina sobretensión a toda tensión, función del tiempo, que supera el valor de cresta de la tensión más elevada, que puede presentarse normalmente.

Una sobretensión fase-tierra se refiere al valor de cresta de la tensión simple  (valor de pico obtenido del valor eficaz de la tensión simple).

Una sobretensión entre fases en valor relativo se indica en la forma  y se refiere también a  (se usa la misma referencia que para la tensión simple, y se pone en evidencia el factor  para que el factor de sobretensión sea comparable a los fenómenos de las tensiones simples).

Las causas de sobretensiones pueden ser varias, y se enumeran a continuación las más frecuentes.

Los cables de guardia o los conductores de fase pueden ser afectados por descargas atmosféricas, en algunos casos la descarga incide en los cables de guardia y se propaga (arco inverso) a los conductores.

Estas descargas son causa de ondas de sobretensión que se desplazan por las líneas del sistema, alcanzando las estaciones eléctricas y solicitando los elementos de la red.

Las ondas de sobretensión, llamadas ondas viajeras se reflejan y refractan en los puntos de discontinuidad de la impedancia de las líneas variando su forma.

Una nube cargada produce sobretensiones estáticas de inducción capacitiva, y al desplazarse o descargarse la nube la sobretensión en la línea se desplaza en forma análoga a las sobretensiones atmosféricas.

Efectos análogos al frotamiento, debidos al viento (seco) producen cargas electrostáticas en las líneas.

Pueden producirse contactos entre una parte del sistema de tensión inferior, con un sistema de tensión más elevada, y en consecuencia se presentarán peligrosas sobretensiones en el sistema de tensión inferior.

Las vibraciones pueden producir condiciones de falla intermitente (cortocircuitos repetidos) y causar sobretensiones de importancia por carga de capacitancias.

Las conexiones en autotransformador en casos de falla del circuito, del lado alimentación, implican sobretensiones del lado carga que pueden ser inadmisibles.

Capacitancias e inductancias pueden producir condiciones de resonancia y en consecuencia sobrecorrientes y/o sobretensiones, como generalmente hay núcleos de hierro en muchos casos se pueden presentar fenómenos de ferroresonancia.

Las maniobras de interrupción, son origen de sobretensiones, de mayor o menor importancia según sea la forma de interrumpir del aparato, y las características del circuito.

El establecimiento de corriente en ciertos circuitos, el restablecimiento de corriente (durante una interrupción) pueden dar lugar a sobretensiones.

Las interrupciones bruscas de cargas, crean también sobretensiones en determinados puntos del sistema.

Acabamos de clasificar, en una forma detallada, por su origen las sobretensiones, en cambio analizando su duración, se puede decir que son transitorias (de breve duración), temporarias (de duración importante) o permanentes.

Analizando su forma se reconocen como impulsivas o periódicas (de frecuencias bajas).

La clasificación por las características de duración y forma es particularmente importante porque la normalización de ensayos, cuyo objeto es demostrar que los equipos pueden soportar estas solicitaciones, se basa precisamente en dicha clasificación.

Así se justifican los ensayos con sobretensiones:

• de frecuencia industrial, que simulan condiciones originadas en contactos, desconexión de cargas, resonancia, etc.
• de maniobra, debidas a esta causa, y que se simulan con impulsos de tensión que crecen en tiempos de los 100 microsegundos y duran del orden de los 1000 microsegundos.
• de impulso, que simulan descargas atmosféricas que crecen en tiempos del orden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 - 100 microsegundos.

Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen son totalmente distintas, y en consecuencia los aparatos deben tener características adecuadas para soportarlas.

Es importante que el equipamiento no sufra daños ni envejecimientos prematuros por causa de estas sobretensiones.

La amplitud de las sobretensiones está especialmente ligada a la conexión más o menos efectiva del neutro del sistema a tierra.

Si el sistema está aislado de tierra, en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero, en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estáticas.

En casos de neutro aislado también los contactos con circuitos de tensión superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensión superior, y su desconexión.

En el diseño se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones de peligro, de contactos, de arcos intermitentes, se deben controlar que las sobretensiones por condiciones transitorias (desconexión de las cargas, etc.) por maniobras, sean moderadas.

Las sobretensiones de origen interno están ligadas a la tensión nominal del sistema a través de algún coeficiente que depende de la puesta a tierra.

En cambio, las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que no depende de la tensión nominal del sistema, al menos en principio.

En su propagación por las líneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por fenómenos de efecto corona, o por descargas en determinados puntos.

Para limitar el valor de estas sobretensiones, y proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosféricas se instalan descargadores.

A veces a los descargadores se les asigna la función de drenar también las sobretensiones de maniobra.

La variedad de situaciones, y la gran cantidad de parámetros que definen las características de interés, ha evidenciado particularmente para estos temas, conocidos como coordinación de la aislación, la importancia de la normalización, veamos estos conceptos partiendo de lo general.

Normas - Generalidades

Normalización y unificación no son conceptos nuevos, sino se remontan a los orígenes de las primeras comunidades humanas en las cuales, casi inconscientemente los hombres comenzaron a utilizar un lenguaje común (primeras unificaciones) y luego normas comunes de convivencia (primeras normalizaciones).

Hoy día en el campo industrial a las palabras "normalización" y "unificación" se atribuye el siguiente significado:

• Normalización: se entiende el conjunto de aquellos criterios de índole general en base a los cuales deben ser proyectadas, construidas y ensayadas las instalaciones, las máquinas, los aparatos o los materiales objeto de las normas mismas, a fin de garantizar la eficiencia técnica y la seguridad de funcionamiento.
• Unificación: se entiende el conjunto de prescripciones que fijan para la máquina, el aparato o el material objeto de unificación una estrecha gama de tipos constructivos y de dimensiones entre los infinitos posibles a fin de reducir los costos, de facilitar el aprovisionamiento de los repuestos y de permitir la reducción de las reservas en almacén.

Normalización y unificación liberan a las iniciativas de todas aquellas manifestaciones irracionales que no podrán producir ventajas ni a la comunidad, ni a sus mismos promotores. Tales iniciativas pueden requerir algún sacrificio a la libertad individual, pero este sacrificio debe ser evaluado en función de las ventajas de carácter colectivo que se consiguen.

La normalización en el campo electrotécnico

En campo internacional los trabajos de normalización electrotécnica son competencia del Comité Electrotécnico Internacional (IEC International Electrotechnical Commission).

Para obtener su finalidad el IEC publica recomendaciones internacionales (muchas de las cuales con el nombre de Normas Internacionales) que expresan dentro de los límites más amplios posibles un acuerdo internacional sobre los argumentos tratados.

Tales recomendaciones están destinadas a ayudar a los Comités Nacionales en la elaboración de las normas del propio país, de manera de armonizar las prescripciones técnicas de las distintas naciones y facilitar los intercambios de material eléctrico.

Existe además la Commission International de Reglamentation en vue de l'aprobation de l'Equipment Electrique (CEEI).

Este organismo esta limitado a países europeos y ha asumido la función de formular prescripciones precisas para la construcción del material eléctrico de uso común generalmente adquirido y utilizado por usuarios inexpertos, a fin de proteger personas y cosas de los riesgos que puedan derivar del uso de material eléctrico de calidad deficiente.

En Argentina el órgano oficial que provee a la normalización es el IRAM Instituto Argentino de Racionalización de Materiales.

Existe también una Asociación Argentina de Electrotécnicos que publicó normas y reglamentos aplicables a instalaciones.

El Comité Electrotécnico Argentino CEA es el corresponsal del IEC en argentina y se ocupa de distribuir las normas IEC y de participar en las discusiones en campo internacional.

A modo de ejemplo veamos como es la normalización electrotécnica en Italia:

El órgano oficial que en Italia provee a la normalización en el campo eléctrico es el Comité Electrotécnico Italiano CEI fundado en 1909 por la Asociación Electrotécnica Italiana AEI.

Las atribuciones del CEI son las siguientes:

• Estudiar todos los problemas de carácter científico y técnico que se refieren a los materiales, las máquinas y los aparatos eléctricos como también la ejecución de las correspondientes instalaciones.
• Compilar las normas que conciernen la producción, la instalación, el ensayo, y el servicio de los materiales, máquinas e instalaciones antes citadas.
• Asegurar en el ámbito de la propia competencia la conexión con análogos entes extranjeros e internacionales y con el ente nacional de unificación.