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Electrotecnia - Industria

Sobretensiones en líneas de transmisión eléctrica

Efectos de inducción producidos por descargas atmosféricas.

En el proceso de formación del rayo, se producen numerosas descargas entre nubes con cargas de signos contrarios, o entre nubes y tierra.

Además de resistencia óhmica, todo circuito eléctrico tiene autoinducción y capacidad, por lo que al descargar un rayo en la proximidad de un conductor o producirse una descarga entre las nubes que se hallen sobre él, se modifica el estado eléctrico del conductor, induciéndose en él, tensiones de carácter oscilante, las cuales provocan la producción de considerables sobretensiones.

Por otra parte, los rayos presentan muchas veces, numerosas ramificaciones, y estas descargas laterales actúan induciendo también sobretensiones. Finalmente, hay que tener en cuenta que la corriente de descarga produce líneas de fuerza que, según la dirección de la descarga con relación al conductor, inducen en éste tensiones de magnitud variable.

Al contrario de lo que ocurría con otras causas de sobretensión, la debida a ésta que estamos estudiando tiene carácter oscilante.

Sobretensiones de origen interno

Estas sobretensiones están provocadas por fenómenos dependientes de los elementos de la instalación. Están producidas por modificaciones de estado en las redes, que pueden resultar de la presencia de defectos o de maniobras de acoplamiento. Las sobretensiones de origen interno pueden clasificarse en dos grandes grupos, que estudiaremos separadamente:

a) Sobretensiones de maniobra.

b) Sobretensiones de servicio

Sobretensiones de maniobra

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, etc... 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. Por lo tanto, se trata de fenómenos transitorios y la transición de uno a otro régimen permanente va siempre acompañada de ondas de tensión que tienen un carácter oscilatorio amortiguado, desapareciendo cuando han pasado algunos periodos, a causa de las resistencias óhmicas , las corrientes de Foucault, etc... que actúan como amortiguadores de las ondas.

La figura 1 representa lo que ocurre en los primeros instantes cuando un conductor no sometido a tensión ni a corriente se pone bruscamente en comunicación con un circuito de corriente alterna, de tensión U; este sería el caso, por ejemplo, de un disyuntor que cierra sobre la red una línea con carga nula.

Fig. 1 - Características de la onda de tensión producida, cuando un conductor no sometido a tensión ni a corriente, se pone bruscamente en comunicación con un circuito de corriente alterna bajo tensión.

Una onda oscilante de altura de la tensión U y de forma rectangular, con el frente escarpado, avanza por el conductor con una velocidad del orden de la velocidad de la luz hacia el otro extremo y al reflejarse en él duplica su altura (2 U). Con esta altura retrocede y oscila unos instantes adelante y atrás hasta que la acción amortiguadora del conductor va extinguiéndola. Si en el extremo del conductor se halla el arrollamiento de un transformador descargado o de un motor de alta tensión, esta onda entra en la máquina que, como tiene resistencia, autoinducción y capacidad, puede considerarse como un conductor en prolongación. Como la altura de la onda es igual a la tensión de trabajo, no representa un peligro inmediato por lo que se refiere al aislamiento del bobinado con relación a tierra. Pero aumenta considerablemente la tensión relativa entre bobinas contiguas, porque la brusca elevación de tensión representada por el frente de onda afecta sucesivamente a todos los elementos del arrollamiento y por lo tanto, en un instante dado, distinto para cada uno de los puntos del arrollamiento, hay una diferencia de tensión que corresponde a la totalidad de la tensión de fase entre dos espiras contiguas .

Como la duración de esta sobretensión es muy corta y la cantidad de electricidad que puede conducir es muy reducida, el aislamiento entre espiras no resulta muy forzado como ocurriría con otras diferencias de tensión menores pero estacionarias.

Como consecuencia, en los puntos más débiles del aislamiento pueden producirse pequeñas perforaciones, que quedan ignoradas durante mucho tiempo; pero si ocurren frecuentes interrupciones de este tipo, al cabo de cierto tiempo puede producirse la ruptura completa del aislamiento, averiando seriamente los transformadores, cables, etc...

Cuando se desconecta un cortocircuito por medio de un disyuntor, las sobretensiones que aparecen no son peligrosas. Pero si se conectan y desconectan líneas funcionando en vacío, las cuales se comportan como condensadores, debido a la reactancia de dispersión de generadores y transformadores nacen sobretensiones oscilantes que pueden alcanzar un valor 3 veces mayor que el de la tensión de servicio. Estas sobretensiones son debidas a reencendidos en el arco cortado por el disyuntor. Efectivamente, en caso de desconexión de una línea, el  disyuntor interrumpe en el momento en que la corriente es nula, es decir , cuando la tensión alcanza , precisamente su valor máximo . Mientras que la tensión de la línea seccionada conserva este valor, la tensión de alimentación comienza a oscilar a la frecuencia de servicio. Como consecuencia, la tensión en los bornes del disyuntor aumenta de valor, primero lentamente, después cada vez más deprisa. Si la solicitación de tensión es muy fuerte, se produce un reencendido del arco y, por consiguiente, oscilaciones en la red. Teóricamente, las tensiones podrían alcanzar valores muy elevados aunque en la práctica, estos valores no se alcanzan nunca, debido a los elementos amortiguadores del circuito.

También la desconexión de transformadores funcionando en vacío puede provocar sobretensiones que, en este caso, son debidas a la ruptura del arco en el disyuntor. En efecto, debido a su impedancia la corriente en el transformador no puede anularse inmediatamente después de la desconexión, ya que circula por la capacidad propia del transformador, cargándola. Consideraciones de orden energético demuestran que la tensión de carga de esta capacidad, es decir, la sobretensión, resulta tanto más elevada cuanto más pequeña sea la capacidad del transformador. Las sobretensiones producidas pueden provocar descargas superficiales en los pasatapas, aunque estas descargas resultan, por lo general, inofensivas ya que, por haberse desconectado el transformador, no circula ninguna corriente, de forma que no puede cebarse un arco eléctrico. La sobretensión es mayor si el transformador se desconecta por el lado de baja tensión y, además, resulta tanto más elevada cuanto más enérgica sea la acción extintora del disyuntor correspondiente. Las sobretensiones originadas por esta causa están comprendidas entre valores de 4,5 a 7 veces el máximo de la tensión nominal.

Sobretensiones de servicio

También se producen sobretensiones cuando se modifica el régimen permanente de una red por causas tales como variaciones repentinas de la tensión, descargas atmosféricas, cortocircuitos, derivaciones a tierra, etc...

Cuando se produce un cortocircuito se origina una sobretensión expresada por la ecuación

procedente de la transformación de la energía magnética potencial

en energía eléctrica :

Esta sobretensión alcanza un valor tanto más elevado cuanto más rápida sea la apertura del circuito.

Las perturbaciones del estado eléctrico por efecto de descargas atmosféricas producidas cerca de los conductores también determinan ondas de sobretensión. Estas ondas corren por la línea en ambos sentidos, desde el punto donde se inician. Todos los cambios de dirección de los conductores, los aisladores de entrada, los arrollamientos de los transformadores de medida, los arrollamientos de generadores y transformadores, etc... son otros tantos puntos donde las ondas errantes se reflejan parcial o totalmente, duplicando su altura. Si la estructura del circuito atravesado por estas ondas ocasiona varias reflexiones, puede ocurrir que la altura de la sobretensión exceda en mucho del doble de la tensión de trabajo, lo cual representa un evidente peligro para el aislamiento de la instalación. Los casos más desfavorables se presentan cuando los diferentes trozos de una línea tienen capacidades muy distintas entre sí.

La amplitud de las ondas errantes producidas depende de la tensión de trabajo y su frecuencia, de la capacidad y de la autoinducción del circuito. Por lo tanto tiene una particular importancia evitar la producción de resonancia entre la frecuencia de las oscilaciones libres y la frecuencia de la corriente normal . Una causa que origina muy peligrosas sobretensiones es la derivación a tierra, materia que, por su importancia, vamos a estudiar separadamente.


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