Sobretensiones en un sistema eléctrico de potencia

SOBRETENSIONES EN EL SISTEMA ELECTRICO DE POTENCIA
Ing. Edward Márquez.
Universidad nacional experimental politécnica

“Antonio José de sucre”

Vicerrectorado Puerto Ordaz

Postgrado en ingeniería eléctrica

Resumen--En este artículo se conocerán las sobretensiones en el sistema eléctrico de potencia, sus principales causas y los factores que las originan. Así como los tipos de sobretensiones en el sistema eléctrico, el comportamiento de los voltajes en las líneas de transmisión de sistema y los efectos que estos causan a lo largo del sistema eléctrico.

También se precisan los métodos de corrección y prevención para sobretensiones y diagramas que definen el comportamiento de la corriente a través del sistema eléctrico al originarse la sobretensión.

Abstract-- In this article, overvoltages in the electrical power system, their main causes and the factors that originate them will be known. As well as the types of surges in the electrical system, the behavior of the voltages in the transmission lines of the system and the effects that these cause throughout the electrical system.

Correction and prevention methods for overvoltages and diagrams that define the behavior of the current through the electrical system when the overvoltage originates are also required.

1. Introducción

E

n la actualidad la mayor parte de la vida cotidiana gira en torno a la energía eléctrica. Esto se hace posible gracias a los sistemas eléctricos de potencia, las cuales son redes encargadas de generar, transformar y distribuir la corriente eléctrica utilizada a nivel residencial e industrial.

En la operación de estas redes es necesario respetar ciertas restricciones técnicas, que tienen relación con la calidad de la energía entregada. Estas limitaciones se refieren fundamentalmente a las variaciones aceptables en la tensión y la frecuencia, así como al hecho de que se debe tratar de asegurar la entrega de energía en cualquier momento.

Debido a la cantidad de factores que intervienen en un sistema eléctrico de potencia, este se vuelve susceptible a variaciones en la tensión y frecuencia nominal de las redes, lo que genera fallas o condiciones de desestabilidad en las redes eléctricas como las sobretensiones, las caídas de tensión, sobrecargas en los componentes de la red, entre otros.

En este artículo se estudiará las sobretensiones y todos lo que conlleva a este fenómeno presente en los sistemas eléctricos de potencia: Tipos, causas, condiciones y características más relevantes.

1. Sobretensiones.

Son perturbaciones que se sobreponen a la tensión nominal de las líneas del sistema eléctrico de potencia. Aunque han existido desde el principio de las redes eléctricas, la necesidad de protección actualmente es mucho mayor ya que la tecnología ha evolucionado usando componentes eléctricos cada vez más pequeños y sensibles [1].

Este fenómeno ocurre principalmente en las líneas de transmisión, donde la magnitud y duración de estas, depende de los parámetros eléctricos (resistencia, inductancia y capacitancia), implícitos en las características de construcción y longitud de línea.

1. Causas de las sobretensiones

Las sobretensiones son un fenómeno eléctrico que influye de manera directa sobre la operación y protección en conjunto de la instalación Se originan por causas externas o internas del sistema. Su estudio es de vital importancia para el diseño de los niveles de aislamiento en los equipos asociados al sistema, así como para los posteriores estudios de coordinación de aislamiento [1].

Los circuitos eléctricos están conformados básicamente por resistencias, inductancias y capacitancias, siendo los parámetros de inductancia y capacitancia almacenadores de energía magnética y eléctrica respectivamente, y la resistencia un elemento disipador de energía.

En estado estable la energía se transfiere en forma cíclica entre los inductores y capacitores dependiendo de la frecuencia del sistema. Cuando ocurre un cambio repentino en el circuito, se presenta una redistribución de energía al pasar a un nuevo punto de equilibrio, suceso que conlleva a una etapa transiente que puede ser de corta o larga duración dependiendo de las características propias de los elementos. Estos trasientes son las sobretensiones [3].

Sobretensiones de origen interno

Son generadas por los estados de maniobra (cierre y apertura) en interruptores de potencia principalmente, son producto de los cambios repentinos en la operación del sistema eléctrico [6].

Las sobretensiones de origen interno denotan diferentes tiempos de formación de cresta y semiamplitud, su estudio se basa en el comportamiento en conjunto de los equipos asociados al sistema. Donde el neutro juega un papel de vital importancia, ya que el comportamiento de las sobretensiones es más crítico en sistemas con neutro aislado, que en sistemas con neutro aterrado. La onda normalizada de impulso tipo maniobra (BSL) se caracteriza por tener un tiempo de duración de 250 a 2500µs. Por tal motivo las sobretensiones se consideran como un fenómeno transitorio que tiene distintas causas y a su vez diferentes respuestas que dependen de la topología eléctrica del sistema. Estas sobretensiones se pueden presentar a frecuencia industrial y también sobretensiones transitorias, que son las que oscilan a la frecuencia natural de los elementos.

El estudio de este tipo de sobretensión es importante para la selección de los niveles de aislamiento para los equipos de extra alta tensión que toleran más de 500Kv [6].

Sobretensiones de origen externo

Se caracterizan principalmente por describir el fenómeno de las descargas atmosféricas, originadas por la atracción de carga eléctrica entre los iones positivos presentes en las nubes y las cargas eléctricas negativas presentes en la tierra, dando origen al denominado rayo donde se estudia la incidencia de las descargas atmosféricas sobre la línea de transmisión, o en proximidades a ella [5]. Su estudio es modelado mediante la onda de impulso tipo rayo definida por una onda con un rango de duración de 1.2 a 50µs para un rango de 5kHz a 209kHz, para efectuar las pruebas de nivel básico de aislamiento a cualquier equipo eléctrico, con lo cual se aplica una de corriente con un período de formación de cresta o frente de onda de 1.2µs, un tiempo de descarga o cola de 50µs.

1. Tipos de sobretensiones.

Las sobretensiones se presentan de dos tipos: Sobretensiones transitorias y sobretensiones permanentes.

Sobretensiones permanentes.

Comprenden un aumento de tensión en la red por encima de un 10% de la tensión nominal en periodos de tiempo que oscilan entre los milisegundos a las horas. Son producidas por fallos en el conexionado de las fases en los centros de distribución o también cuando hay pérdidas en el neutro. Este tipo de sobretensiones son muy comunes y pueden llegar a deteriorar los equipos electrónicos.

Existen Protectores Permanentes que actúan como un «guardia de seguridad» que constantemente vigilan el paso de la tensión y cuando encuentran una subida desconecta el Interruptor General Automático protegiéndonos.

El ejemplo más común para estos protectores es el supervisor de voltaje a través de contactores. El cual interrumpe el flujo de corriente por las vías de transmisión si el voltaje en la línea no está dentro del rango establecido para esta.

Sobretensiones transitorias.

Se presentan por cambios bruscos en las condiciones de operación del sistema, son por lo general de tiempos cortos o instantáneos, sin embargo, pueden ser muy peligrosas ya que las magnitudes de tensión alcanzan valores pico muy altos que oscilan a la frecuencia natural de los elementos que conforman el sistema.

Las causas más frecuentes de sobretensiones transitorias son la apertura de líneas en vacío, operaciones de cierre de líneas, la desconexión de transformadores y reactores, como será explicado más adelante.

Desconexión de transformadores en vacío.

Cuando un interruptor corta una corriente relativamente pequeña, puede suceder que ésta cambie bruscamente a cero, lo cual da lugar a sobrevoltajes. Debido a que la energía magnética asociada con la corriente, puede convertirse en energía eléctrica almacenada en las capacitancias asociadas al punto de conexión. Éste fenómeno se presenta cuando se desconectan transformadores en vació y reactores de compensación.[pic 1]

Circuito equivalente para desconexión de un transformador por primario

Sea Ia la corriente asociada a una energía magnética que circula por el primario del transformador. Aunque Ia sea pequeña en magnitud, la energía magnética es considerable dado que la inductancia L2 es muy grande; siendo L2 y C2 la inductancia y capacitancia del primario, y L1 y C1 la inductancia y capacitancia equivalente del sistema y Vn la tensión de la fuente.

Cuando la corriente Ia se interrumpe en su valor pico, se obliga a que circule por la capacitancia C2, haciendo que se cargue y adquiera una energía capacitiva adicional en el momento de la interrupción.

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