TIPOS DE SOBRETENSIONES

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.