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 . Tema relacionado : Sistemas de Redes Eléctricas 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: 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. 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. 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.

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.

donde C_sis y L_sis , indican la capacitancia correspondiente a la inductancia de todo el sistema de transmisión, y f_sis, 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).

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 I_rayo*R_tierra 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.

Pararayos en edificios:

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).-

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

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