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Electrotecnia - Industria

Sobretensiones en líneas de transmisión de energía eléctrica

En toda industria moderna , donde toda la maquinaria se mueve mediante energía eléctrica , los sistemas de transmisión y distribución eléctrica que alimentan al conjunto se encuentran sujetos a tensiones mucho mayores que la normal de servicio. Por eso las líneas y los aparatos del sistema tienen que estar construidos de manera que puedan soportar éstas sin perjuicio del funcionamiento normal , y es importante que el operario de la maquinaria y el personal de mantenimiento tenga conocimientos de los conceptos sobre el tema , por lo tanto a los mismos van dirigidas las siguientes páginas .

Se denomina sobretensión a todo aumento de tensión capaz de poner en peligro el material o el buen servicio de una instalación eléctrica.

La sobretensión se refiere a un aumento anormal en la tensión eléctrica por encima del nivel nominal o esperado, lo cual puede ser perjudicial para los equipos y sistemas eléctricos. Esta sobretensión puede ocurrir de forma transitoria o sostenida y puede ser causada por diversas razones, como:

  1. Descargas atmosféricas: Los rayos durante una tormenta pueden generar sobretensiones en la red eléctrica. Estas sobretensiones pueden ingresar a los sistemas eléctricos a través de líneas de transmisión o líneas de distribución y dañar los equipos conectados.

  2. Conmutación de cargas: Cuando se encienden o apagan grandes cargas eléctricas, como motores, transformadores o equipos industriales, pueden generarse sobretensiones debido a la inductancia y la capacitancia de los circuitos.

  3. Fallas en la red: Cortocircuitos, fallos en la conexión a tierra, apagones y otros eventos inesperados pueden provocar sobretensiones en la red eléctrica.

Las sobretensiones pueden tener efectos perjudiciales en los equipos y sistemas eléctricos. Pueden causar daños en los aislamientos, deterioro de componentes electrónicos, fallas en equipos sensibles, interrupciones en el suministro de energía, incendios e incluso riesgos para la seguridad de las personas.

Para proteger los equipos y sistemas contra las sobretensiones, se utilizan dispositivos de protección como supresores de sobretensiones, varistores, diodos de protección y sistemas de puesta a tierra adecuados. Estos dispositivos ayudan a limitar las sobretensiones y desviar la energía hacia la tierra, protegiendo así los equipos y sistemas eléctricos.

En resumen, la sobretensión es un aumento anormal en la tensión eléctrica que puede dañar los equipos y sistemas eléctricos. Se debe tomar precauciones y utilizar dispositivos de protección adecuados para prevenir daños causados por las sobretensiones en las instalaciones eléctricas.

 

La relación entre la sobretensión Us, y la tensión de servicio se llama factor de sobretensión que viene expresado por :

Por ejemplo en una línea cuya tensión nominal es de 6 kV, y aumenta la tensión hasta 15 kV, el factor de sobretensión vale : 

Muchas veces es posible calcular el factor de sobretensión y, por lo tanto, prever la magnitud de las posibles sobretensiones que pueden presentarse en la instalación.

 

Las sobretensiones pueden producir descargas que, además de destruir o averiar seriamente el material, también pueden ser la causa de nuevas sobretensiones. Muchas veces, los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su magnitud, sino también a la forma de onda. Si se realizan correctamente la instalación y las líneas de conexión están en buenas condiciones es poco probable que se produzcan sobretensiones. Si, a pesar de todas las precauciones, en una instalación se producen sobretensiones debe procurarse que descarguen a tierra lo más rápidamente posible, por medio de los correspondientes dispositivos de protección denominados, en general, descargadores de sobretensión. Estas protecciones deben regularse a un factor de sobretensión que sea menor que el grado de seguridad de la instalación pero que, por otra parte, no se aproxime demasiado al valor de la tensión de servicio ya que de lo contrario entraría muchas veces en funcionamiento haciendo inestables las condiciones de la instalación. Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensión aunque, generalmente, en las primeras tienen menos importancia que en las últimas, debido a que en las instalaciones de alta tensión las propias condiciones de funcionamiento y de aislamiento favorecen la aparición de sobretensiones.

Los descargadores de sobretensión, también conocidos como supresores de sobretensión o protectores contra sobretensiones, son dispositivos diseñados para proteger equipos y sistemas eléctricos contra los efectos dañinos de las sobretensiones.

Estos dispositivos operan detectando automáticamente la presencia de una sobretensión y desviando la energía excesiva hacia la tierra, evitando que afecte los equipos conectados. Actúan como una vía de baja impedancia para las sobretensiones, redirigiendo la corriente a tierra para proteger los dispositivos sensibles.

Hay diferentes tipos de descargadores de sobretensión disponibles, pero los más comunes son:

  1. Descargadores de gas: Utilizan una cámara de gas y electrodos para absorber y desviar las sobretensiones hacia tierra.

  2. Varistores de óxido de metal (MOV): Son dispositivos de semiconductores que tienen una alta resistencia normal, pero se vuelven altamente conductores cuando se exponen a una sobretensión. Absorben la energía de la sobretensión y la desvían hacia tierra.

  3. Descargadores de centelleo: Son dispositivos de respuesta rápida que protegen las líneas de comunicación y datos contra las sobretensiones.

La elección del tipo de descargador de sobretensión depende del nivel de protección requerido, el tipo de sistema eléctrico y las características de las sobretensiones a las que está expuesto. Es importante instalar los descargadores de sobretensión adecuados en los puntos de entrada de la energía eléctrica, como el panel principal de distribución, así como en puntos estratégicos dentro del sistema para brindar una protección integral.

Los descargadores de sobretensión son componentes importantes en la protección de equipos y sistemas eléctricos contra las sobretensiones. Ayudan a prevenir daños, fallas y tiempo de inactividad costoso causado por las sobretensiones en las instalaciones eléctricas.

 

Las tensiones anormales o sobretensiones pueden clasificarse, según su origen, en dos grupos: las sobretensiones internas y las atmosféricas.

a) Las sobretensiones internas 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. Estos no se producen solamente por arqueo de aisladores sino también en los interruptores cuando desconectan altas intensidades.

A este grupo pertenecen las oscilaciones de intensidad de corriente, las variaciones de carga, las descargas a tierra, etc.. En todos estos procesos, la energía acumulada en los elementos inductivos y capacitivos de los circuitos que comprenden una instalación, pueden llegar a descargar de tal modo que originen perjudiciales aumentos de la tensión. Esta clase de sobretensiones pueden preverse en gran parte y, por lo tanto, evitarse . Las sobretensiones de origen interno pueden, a su vez, clasificarse en dos categorías:

1) sobretensiones de maniobra que designan los fenómenos transitorios que acompañan a los bruscos cambios de estado de una red, por ejemplo, maniobras de disyuntores, descargas a tierra, etc...

2) sobretensiones de servicio que 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 los defectos a tierra.(Ver mas detalles

El carácter de las sobretensiones producidas por tales oscilaciones, llamadas sobretensiones internas, es completamente distinta del de la elevación de la tensión debida a la autoexcitación de máquinas sincrónicas o al efecto Ferranti, pues en estos dos casos se trata de la elevación de la tensión de 50 Hz ( ó 60 Hz. Según el país ), mientras que las sobretensiones internas están caracterizadas por ondas de otra frecuencia que se superponen a la frecuencia básica .

El transitorio es, casi siempre, una oscilación amortiguada de frecuencia media y escasa duración. Por el contrario, la forma de onda de las sobretensiones producidas por fenómenos estacionarios tienen una amplitud constante o casi constante; estas sobretensiones se desplazan por las líneas y aparatos en forma de ondas de choque, llamadas también ondas errantes.

 

Oscilograma de sobretensiones internas .

La frecuencia de las sobretensiones internas está definida por la frecuencia natural del sistema siendo :

donde Csis y Lsis , indican la capacitancia correspondiente a la inductancia de todo el sistema de transmisión, y fsis, resulta del orden de 103 Hz.

La amplitud de las oscilaciones depende principalmente de la conexión del punto neutro del sistema y también de la distribución de las inductancias y capacitancias. En sistemas con punto neutro, aislado se midieron, según Lewis, sobretensiones internas hasta cinco veces mayores que la tensión normal, mientras en sistemas con punto neutro conectado directamente a tierra no se registraron valores mayores de dos hasta tres veces la tensión normal.

b) El segundo grupo lo forman las sobretensiones de orígen externo , como las que 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, etc... (ver mas detalles )

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, pero que pueden destruir muy pronto el aislador ya que degenera en arco intermitente si el sistema no está provisto de la bobina Petersen que lo apaga.

Hilos de guardia y disposición de los conductores. De lo dicho resulta que la mejor solución para proteger líneas aéreas contra sobretensiones atmosféricas sería impedir que éstas entren en los conductores de líneas aéreas.

Para eliminar totalmente la influencia del campo electroestático atmosférico sobre los conductores habría que construir alrededor de ellos una jaula de Faraday, lo que es económica y técnicamente imposible . Sin embargo, la experiencia confirma que uno o dos cables colocados sobre los conductores de fase y paralelos a éstos garantizan una discreta protección contra golpes de rayo directos. Tales cables de protección denominados hilos de guardia o hilos de tierra se colocan en el extremo más alto de los soportes y se conectan mediante la misma estructura del soporte a tierra. Generalmente se utilizan como hilos de guardia cables de acero con secciones de 25 hasta 50 mm2.

La probabilidad de golpes de rayo directos en los conductores disminuye en líneas protegidas con dos hilos de guardia hasta un valor casi despreciable.

La eficiencia de la protección con hilos de guardia depende de la posición de los hilos respecto de los conductores, pero siendo las relaciones muy complicadas ya que existen muchos factores independientes, no es posible hallar una solución analítica del problema, sino solamente una aproximación experimental.

Existen varios criterios sobre la mejor posición de los hilos de guardia.

Según Schwaiger, la zona protegida por los hilos de guardia, está determinada por círculos de radios iguales a la altura sobre el suelo del hilo de protección, como está representado en la figura siguiente :

Zonas de protección formadas por 1, 2 y 3 hilos de guardia (Schwaiger).

Los hilos de guardia, también conocidos como cables de protección, se utilizan para proteger las líneas eléctricas contra los golpes de rayos y descargas atmosféricas. Estos hilos están diseñados para captar la energía de los rayos y desviarla de manera segura hacia la tierra, protegiendo así los conductores principales y los equipos conectados.

El sistema de protección Schwaiger establece diferentes zonas de protección que se forman mediante la instalación de uno, dos o tres hilos de guardia. Estas zonas se definen en función de la distancia desde la línea eléctrica y se utilizan para proteger diferentes partes del sistema de energía.

  • Zona de protección con un hilo de guardia: En esta configuración, se instala un solo hilo de guardia a una distancia determinada de la línea eléctrica. Este hilo de guardia actúa como un conductor de protección para captar las descargas atmosféricas y desviarlas a tierra. Esta zona de protección ofrece una protección básica contra los golpes de rayos y se utiliza en líneas de media y baja tensión.

  • Zona de protección con dos hilos de guardia: En este caso, se instalan dos hilos de guardia a una distancia específica de la línea eléctrica, uno a cada lado. Estos dos hilos de guardia actúan como conductores de protección adicionales y ayudan a mejorar la eficiencia de la protección contra los golpes de rayos. Esta configuración se utiliza en líneas de alta tensión y proporciona una mayor protección en comparación con la zona de protección de un solo hilo.

  • Zona de protección con tres hilos de guardia: Esta configuración implica la instalación de tres hilos de guardia, uno en el centro y dos en los extremos, a una distancia determinada de la línea eléctrica. Los tres hilos de guardia trabajan en conjunto para captar y desviar las descargas atmosféricas de manera más efectiva. Esta configuración se utiliza en líneas de alta tensión y proporciona la mayor protección contra los golpes de rayos.

La elección de la configuración de hilos de guardia depende del nivel de protección requerido y de las características del sistema de energía. Es importante tener en cuenta las recomendaciones y normativas específicas de seguridad eléctrica al implementar estos sistemas de protección.

Resumiendo, las zonas de protección formadas por 1, 2 y 3 hilos de guardia según el sistema Schwaiger ofrecen diferentes niveles de protección contra los golpes de rayos y descargas atmosféricas en las líneas eléctricas.

 

La zona propiamente protegida, está aún disminuida por una zona de dispersión que hay que tomar en cuenta con un ancho del 2 al 4 % del radio correspondiente.

 

La aplicación del método a un soporte para doble línea, está representado en la figura superior .

 

Se puede definir la posición de los hilos de guardia, mediante el ángulo de protección. Se considera que un ángulo menor de 40° ó 30°, entre el hilo de protección y conductores, asegura la línea contra los golpes directos . Las alturas de los soportes construidos de acuerdo con este criterio, resultan menores que las exigidas por la teoría de Schwaiger.

Con lo dicho quedarían definidos los criterios para la disposición de los conductores y de los hilos de guardia, pero los hilos de guardia colocados sobre los conductores de línea, aún si soportan el golpe de rayo, no garantizan por sí mismos una eficaz protección del sistema, si la aislación de la línea no se ajusta a las consecuencias que produce el golpe de rayo en el hilo de guardia. Como ya se dijo, el rayo da origen a corrientes del orden hasta 105A. Esta corriente que fluye hacia tierra se distribuye sobre varios soportes de línea si la línea está provista de hilos de guardia pero los soportes próximos al lugar donde cayó el rayo pueden ser recorridos por intensidades de hasta 104A. Esta corriente produce en el hilo de guardia, soporte y puesta a tierra una caída de tensión debida a la resistencia de estos elementos. 

El producto Irayo*Rtierra resulta del orden de 105 hasta 106 voltios, ya que, las puestas a tierra en los demás casos representan resistencias de 10 hasta 102 ohmios. En consecuencia el soporte toma un potencial muy alto, que puede producir una descarga secundaria entre soporte y conductor, si la aislación de los conductores de fase no soporta tal diferencia de potencial. En el momento de la descarga, el potencial de los conductores no será el correspondiente a la tensión normal de la línea, porque antes la caída del rayo las nubes influenciaron también en éstos una carga electroestática. Al caer el rayo ésta se vuelve libre y produce ondas migratorias llamadas también ondas errantes en los conductores. El valor de, la carga electroestática depende del gradiente atmosférico existente a la altura de la línea antes la caída del rayo, y, por tanto, no se puede definirla. En las consideraciones que siguen se asumirá que el potencial de los conductores de línea que están recorridos por la tensión alterna U, es decir + U máx y - U máx es cero, suposición que es más desfavorable que la realidad.

 

Distribución de la corriente de un rayo en una línea con hilos de guardia . 

          

Pararayos en edificios:

Un pararrayos se utiliza en edificios y otras estructuras para protegerlos de los efectos dañinos de los rayos. El pararrayos está diseñado para atraer la descarga eléctrica de un rayo y proporcionarle un camino seguro hacia la tierra, evitando así que la energía del rayo cause daños en la estructura o en los equipos conectados.

Cuando hay una nube cargada eléctricamente cerca del edificio, el pararrayos, que consta de una punta conductora o una red de conductores en la parte superior del edificio, crea un punto de alta conductividad eléctrica. Esto atrae la descarga del rayo hacia el pararrayos, proporcionando un camino preferencial para que la corriente eléctrica fluya hacia la tierra.

La efectividad de un pararrayos se basa en el principio de protección por descarga atmosférica. Cuando el potencial eléctrico de la nube se vuelve lo suficientemente alto, la diferencia de potencial entre la nube y el pararrayos se vuelve significativa. Esto provoca que el rayo "elija" la ruta del pararrayos hacia la tierra, en lugar de buscar un camino a través de la estructura del edificio o de los sistemas eléctricos.

El pararrayos debe estar correctamente diseñado e instalado de acuerdo con las normas y regulaciones de seguridad eléctrica para garantizar una protección efectiva. Además del pararrayos, se deben implementar sistemas de puesta a tierra adecuados y medidas de protección adicionales para minimizar los daños causados por una descarga atmosférica.

En resumen, un pararrayos se utiliza en edificios para atraer y conducir la descarga de un rayo hacia la tierra de forma segura. Esto protege la estructura y los equipos del edificio al proporcionar un camino preferencial para la corriente eléctrica generada por el rayo. El pararrayos se instala para proteger contra las consecuencias potencialmente dañinas de un rayo al reducir el riesgo de incendios, daños estructurales y lesiones a las personas.

 

El pararrayos provoca la descarga cuando el potencial de la nube es demasiado elevado:

1° por cuanto está más cerca de la nube;
2º porque lleva electricidad de nombre contrario, que se atraen;
3° por cuanto está compuesto por cuerpos buenos conductores que conducen la descarga a la tierra con facilidad.

Se admite que un pararrayos preserva los edificios comprendidos en un cono cuyo vértice es la punta del pararrayos y la base un círculo de radio igual al doble de su altura.

Así, un pararrayos cuya barra mide 8 metros y está colocado sobre un edificio de 30 metros de altura su cono de protección se extiende en un círculo de: (8 + 30) X 2= 76 metros de radio en el suelo.

Pararrayos de Melsens

Así como el pararrayos de Franklin trabaja bajo el principio del poder de las puntas, hay otro sistema de pararrayos que protege los edificios y que actúa bajo el principio de la jaula de Faraday, es el llamado "pararrayos de Melsens" (figura siguiente).

Fig. Pararrayos de Melsens.

Una red de mallas metálicas en conexión con la tierra rodea el edificio, siguiendo sus líneas arquitectónicas y está provista de haces divergentes en las partes salientes de la construcción. A esta red están conectadas también las cañerías y partes metálicas.

Cualquier descarga que se produzca va a tierra por el camino más fácil de conductores metálicos.

Los altos edificios, los postes telefónicos así como los árboles pueden hacer las veces de pararrayos, debido a su altura. Es por ello que es peligroso guarecerse debajo de los árboles los días de tormenta eléctrica (fig. 20).-

El principio de la jaula de Faraday establece que una jaula o recinto conductor metálico puede proteger su interior de los campos eléctricos externos. Cuando un campo eléctrico externo incide sobre la jaula, las cargas eléctricas en el conductor se redistribuyen de manera que anulan el campo eléctrico en el interior del recinto. Esto significa que las cargas se acumulan en la superficie externa del conductor, creando un campo eléctrico igual pero opuesto al campo externo, lo que resulta en una cancelación total del campo en el interior.

En resumen, la jaula de Faraday actúa como un escudo protector que desvía las corrientes eléctricas externas alrededor del espacio protegido, manteniendo su interior libre de influencias eléctricas externas. Este principio es ampliamente utilizado en aplicaciones de protección contra descargas eléctricas, como la protección contra rayos en edificios o la protección de equipos electrónicos sensibles de interferencias electromagnéticas.

Fig. Es peligroso en una tormenta eléctrica el guarecerse bajo los árboles.

Resumiendo : evolución de los pararrayos a lo largo de los años.
  1. Pararrayos punta Franklin: Fue inventado por Benjamin Franklin en 1752. Consiste en una varilla puntiaguda de metal, generalmente de cobre, que se coloca en la parte más alta de un edificio. Su forma puntiaguda ayuda a ionizar el aire circundante y atraer los rayos hacia la varilla, proporcionando un camino seguro para la descarga eléctrica hacia tierra.

  2. Jaula de Faraday: Propuesta por Melsens en 1884, esta técnica de protección involucra rodear un edificio con una red de mallas metálicas conectadas a tierra. La jaula de Faraday aprovecha el principio de que un campo eléctrico externo no afectará el interior de una estructura metálica cerrada. De esta manera, la red de mallas actúa como una protección contra los rayos, desviando la corriente hacia tierra.

  3. Pararrayos radiactivo: En 1914, Szyllard introdujo la idea de usar sales radiactivas en las puntas metálicas de los pararrayos. Estas sales radiactivas, al ser expuestas a un campo eléctrico, aumentan la corriente de descarga. Sin embargo, debido a los riesgos asociados con las fuentes radiactivas, la importación y fabricación de pararrayos con este tipo de materiales fue prohibida en muchos países, incluyendo España en 1986.

Cada tipo de pararrayos tiene sus ventajas y desventajas en términos de eficacia, costo y seguridad. Los avances en la tecnología han permitido mejorar la capacidad de descarga de los pararrayos y desarrollar sistemas más eficientes. Es importante seguir las regulaciones y normativas locales al instalar y mantener los pararrayos para garantizar una protección efectiva contra los rayos.

 


 

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