Sobretensiones de origen externo.
Son las que penetran en líneas aéreas desde la
atmósfera a consecuencia de golpes de rayo o de influencia electroestática. Las
sobretensiones producidas por golpes de rayo directos son las más peligrosas
por ser mucho más altas que las internas y las debidas a influencia
electroestática de las nubes. Se incluyen en este grupo, las sobretensiones que
tienen una procedencia exterior a la instalación y en los que, por lo tanto sus
amplitudes no están en relación directa con la tensión de servicio de la
instalación afectada. Comprenden, sobre todo, las sobretensiones de origen
atmosférico, tales como rayos, cargas estáticas de las líneas.
Los golpes de rayo directos pueden producir
tensiones del orden de 105 hasta 106 voltios, y
corrientes del orden de 104 hasta 105 amperios. De los
oscilogramas tomados mediante oscilógrafos de rayos catódicos resulta que la
tensión y la corriente son impulsos de muy breve duración que pueden
representarse mediante ondas aperiódicas que se desarrollan en intervalos de 5
hasta 100 µs (microsegundos, siendo 1 µs = 10-6 segundos).
Los aisladores de línea no pueden soportar tales
sobretensiones en consecuencia se producen descargas y se forman arcos sobre
los aisladores que perduran aun cuando la sobretensión desaparece, siendo la
tensión de servicio de líneas de alta y media tensión suficiente para
mantenerlos en el canal de aire ionizado. Ahora bien, el arco con su alta
temperatura destroza a los aisladores si no se interrumpe muy pronto. La
interrupción del arco en sistemas con el punto neutro conectado directamente a
tierra, se efectúa mediante los interruptores, ya que el arco sobre los
aisladores produce un corto circuito monofásico. En sistemas con el punto
neutro aislado, el arco encendido por sobretensiones atmosféricas no produce cortocircuitos,
sino corrientes de moderada intensidad.
Las
sobretensiones que aparecen en las líneas aéreas debido a los rayos pueden ser:
- Por la incidencia directa del
rayo en los conductores.
- Por inducción.
- Por la incidencia directa del
rayo en la estructura.
- Por la incidencia directa del rayo en el cable
protector.
El efecto de la
incidencia directa de un rayo sobre un conductor cualquiera de una línea aérea,
equivale a la inyección de una corriente que se propaga en ambas direcciones. Para
evitar las fallas por esta causa, se requiere de un nivel de aislamiento
extraordinariamente altos siendo mucho más económico y técnicamente factible proteger
a la línea contra los impactos directos mediante su apantallamiento empleando
cables de protección. Además, cuando un rayo impacta una de las fases de un
circuito trifásico en las otras dos fases se inducen sobretensiones de
polaridad contraria, pero de tal magnitud, que pueden llegar a provocar fallas
en ellas.
Cuando un rayo
cae cerca de una línea aérea, en ella aparece una sobretensión por inducción
que es la causante de la inmensa mayoría de las interrupciones por rayos en las
líneas de distribución, por el relativamente bajo nivel de aislamiento, y por
qué la forma de onda generalmente presenta un frente mucho más pendiente. La
baja frecuencia de ocurrencia de impactos directos es debido a la relativamente
baja altura de estas líneas y al apantallamiento natural que le brindan los
árboles, las edificaciones y en muchas ocasiones otras líneas aéreas de mayor
nivel de tensión. El mecanismo de inducción de la tensión en una línea
eléctrica producto de un rayo cercano es mucho más complejo. Debido a la
tensión inducida en un punto de una línea aérea producto de un rayo a tierra en
su cercanía tiene dos componentes:
- La debida a la inducción
electrostática en la línea.
- La debida a la inducción entre
línea y tierra producto de la variación del campo magnético producido por la
corriente de la descarga principal del rayo.
Sobretensiones internas.
Las sobretensiones internas
se pueden definir como cualquier tensión transitoria entre fase y tierra o
entre fases que tengan un valor respecto a la tensión del sistema.
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. En resumen, cuando un sistema con resistencia
óhmica, inductividad y capacidad pasa bruscamente de un régimen permanente a
otro régimen permanente distinto.
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 debido ha:
- Energización
de una línea.
- Recierre
de una línea.
- Apertura
de una corriente capacitiva.
- Apertura
de una corriente inductiva.
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.
Recierre de
una línea.
El recierre 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
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.
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. Son las
siguientes:
- Efecto ferranti
- Ferroresonancia
- Resonancia
- Fallas a tierra
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.
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 fenómeno de resonancia no lineal, es decir cuando
se tiene por ejemplo una inductancia variable lo cual ocasionara que se puedan
presentar varios puntos de resonancia y por ende una mayor posibilidad de
ocurrencia. Este tipo de fenómeno puede afectar a las redes eléctrica puesto
que provoca la presencia de armónicos anormales y sobretensiones transitorias o
permanentes que ponen e peligro al material eléctrico
Esta puede ser iniciada por sobretensiones de origen atmosférico, conexión
o desconexión de transformadores o de cargas, aparición o eliminación de
defectos, trabajos bajo tensión, entre otros. Existe la posibilidad de transición
brusca de un estado estable normal a otro estado estable ferrorresonantes
caracterizados por fuertes sobretensiones y por importantes tasas de armónicos
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.
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.
