Electrotecnia - Industria Sobretensiones en líneas de transmisión eléctrica

Sobretensiones de origen externo

Inducción electrostática

Sabemos que un conductor cargado de electricidad obra inductivamente sobre otro cercano de tal modo que los elementos del primero situados en la proximidad del segundo y cargados con electricidad de cierto signo atraen a los del otro de signo contrario. Por lo tanto, si tal como se representa en la figura siguiente , una nube cargada positivamente se aproxima a una línea eléctrica induce en ésta, cargas eléctricas de signo contrario, es decir, en nuestro caso de signo negativo. Por el momento todavía no hay sobretensiones, ya que la nube se acerca lentamente a la línea y la carga eléctrica del mismo nombre, sobre la línea, queda repelida, evacuándose a tierra por medio. de transformadores de tensión puestos a tierra, de bobinas de contacto a tierra, etc...

Fig. 2 - Efecto de una nube cargada positivamente sobre una línea aérea 

Pero si por causas tales a la caída de un rayo entre la nube y otra nube de carga contraria o entre esta misma nube y tierra, desaparece la carga de la nube repentinamente, entonces las cargas de la línea quedan libres, puesto que ya no son atraídas por las de la nube. Esta circunstancia provoca en la línea la aparición de sobretensiones proporcionales a la carga, que se propagan a ambos lados de la línea en forma de ondas errantes y con la velocidad de la luz, tal como hemos visto en un parágrafo anterior, que incluso pueden provocar descargas eléctricas, de naturaleza ondulatoria en los puntos mal aislados de la línea. Veremos más adelante cómo pueden reducirse estas sobretensiones.

Carga progresiva de los conductores por rozamiento del aire circundante .

Cuando el aire está cargado de electricidad, las partículas electrizadas contenidas en el aire (polvo, moléculas de agua, etc ... ), por rozamiento comunican su carga a los conductores. La cantidad de electricidad así aportada es proporcional a la longitud del conductor; esta tensión resulta también tanto mayor cuanto mejor aislados estén los conductores.

Las sobretensiones producidas por estas causas son de carácter muy parecido a las provocadas por la inducción electrostática, de las que hemos hablado en el parágrafo anterior.

Carga producida por cortar diferentes superficies de nivel eléctrico .

Como la Tierra puede considerarse un cuerpo cargado, emite líneas de fuerza que terminan en nubes cargadas con potencial opuesto, o se extienden indefinidamente. Las superficies perpendiculares a estas líneas, que tienen todos sus puntos al mismo potencial, son las superficies equipotenciales, llamadas también superficies de nivel. Si un conductor corta una de estas superficies, en dicho conductor se induce una carga eléctrica.

Cuando los conductores recorren comarcas llanas o casi llanas, estas causas de sobretensión son imperceptibles con tiempo tranquilo. Por el contrario, si cerca se desplazan nubes tempestuosas o si el aire está fuertemente cargado de electricidad, las superficies de nivel se deforman y las cargas inducidas en los conductores pueden alcanzar valores importantes. Se han observado diferencias de tensión de 50 a 250 V por metro de altura.

Esta causa de sobretensiones es particularmente importante cuando los conductores pasan por las cumbres de montañas, porque en estos sitios las superficies equipotenciales están muy próxima, pudiendo haber tensiones a tierra hasta de 10 kV.

Estas sobretensiones son de carácter muy parecido a las que hemos estudiado en los dos parágrafos anteriores.

Descargas directas

Se denomina descarga directa o rayo a la que se produce en caso de tormenta entre nube y nube o entre nube y tierra. Está caracterizada por las enormes tensiones puestas en acción, por las elevadas intensidades y por su pequeñísima duración.

El origen del rayo no está, ni con mucho, bien estudiado, debido, entre otras causas porque la rapidez con que se produce este fenómeno hace muy difícil su estudio. Podemos, sin embargo, intentar una explicación a dicho fenómeno.

La atmósfera contiene siempre iones positivos y negativos; con buen tiempo, predominan los iones positivos. La masa terrestre está cargada negativamente y con el exceso positivo de la atmósfera constituye el campo eléctrico del aire.

Las tormentas sobrevienen cuando en la atmósfera se interponen capas de aire húmedo entre el suelo y otras capas superiores más frías, lo que produce corrientes de aire húmedo y caliente violentamente impulsado hacia arriba en remolinos, con enfriamiento y formación de nubes por condensación parcial del vapor de agua contenido en el aire. Parece ser que la acumulación de cargas eléctricas está causada por el rozamiento de las gotas de lluvia con el aire de la atmósfera y, en menor grado, por la fragmentación de las gotas grandes de agua en gotas más pequeñas. De esta forma, el conjunto nube-tierra viene a resultar como las dos placas de un condensador que se va cargando cada vez más. Cuando la intensidad del campo eléctrico se hace suficientemente elevada (unos 500 kV/m), el condensador así formado se descarga casi instantáneamente, originándose el rayo o descarga directa entre la nube y la tierra o, en otros casos, entre nubes cargadas con distinto signo.

Generalmente, los rayos son negativos, es decir, que se producen en nubes cargadas negativamente. A causa del elevado campo eléctrico, surgen de las nubes descargas previas en chispas de 10 a 200 m; transcurrido cierto tiempo, el canal luminoso se apaga, aproximadamente durante 0,1 milisegundos y después se forma la siguiente etapa algo más profundamente o, en otros casos, más lejos, hacia tierra, de tal forma que esta descarga previa, transcurrido 1 milisegundo, se prolonga hasta la tierra misma. Inmediatamente se forma la descarga principal que establece la compensación de cargas eléctricas entre nube y tierra.

La forma más frecuente es el rayo lineal, constituido por una o varias descargas previas y la correspondiente descarga principal. La descarga previa, llamada también rayo preparatorio, se establece con una velocidad media de unos 11.000 km/seg; el rayo principal posee una velocidad de formación de unos 60.000 km/seg. Del canal luminoso propiamente dicho sale una serie de ramificaciones en forma de descargas en haces o descargas en efluvios. Estas ramificaciones son fuertes junto al polo positivo y mucho más débiles junto al polo negativo.

El rayo superficial está caracterizado por una mayor duración de descarga, que alcanza aproximadamente a 0,1 segundo y no presenta un canal de chispas alargado sino solamente descargas en haces y en hilos luminosos. Se trata de descargas en bandas, sobre numerosas gotitas y cristales de hielo de las nubes.

Se han observado también otros tipos de rayos (esféricos, de collar de perlas, etc ... ) pero son muy raros y sin interés especial para nuestro estudio.

Vamos a dar algunas características típicas del rayo: Tensión de las nubes tormentosas de 100 a 1.000 MV Campo eléctrico para la formación del rayo = 500 kV/m Intensidad de corriente de 10 a 50 kA (excepcionalmente, hasta 200 kA) Cantidad de electricidad descargada, casi siempre inferior a 1 Amperiosegundo, aunque algunas veces se llega a 20 Amperiossegundo. La corriente desarrollada es una onda de choque de la forma expresada en la figura siguiente y que tiene las siguientes características: Duración del frente: de 1 a 10 microsegundos. Pendiente de crecimiento: de 5 a 12 kA/microsegundo.. Duración de cresta media: de 10 a 50 microsegundos.

Fig. 3 - Características de la onda de tensión de una descarga directa .

El rayo puede deteriorar las instalaciones eléctricas de forma directa (rayo directo) o de forma indirecta (rayo indirecto). El caso más frecuente, y también el más peligroso, de rayo directo es cuando la descarga cae directamente en la línea. En este caso, la línea recibe bruscamente una tensión muy elevada, con lo que pueden producirse descargas a tierra a través de los postes o del cable de tierra, si se instala este elemento de protección.

La experiencia ha demostrado que si la descarga se produce directamente sobre un poste, éste recibe aproximadamente el 60 % de la corriente del rayo y solamente el resto recorre el cable de tierra o la línea para repartirse según se indica en la citada figura siguiente :

Fig. 4 - Reparto de las corrientes a tierra en una línea aérea cuando la descarga directa se produce sobre un poste.

Si la descarga se produce en un vano entre dos postes, el reparto de las corrientes se realiza como está indicado en la figura siguiente :

Fig. 5 - Reparto de las corrientes a tierra en una línea aérea cuando la descarga directa se produce en el centro de un vano entre postes.

Por lo tanto, y de acuerdo con lo dicho en el párrafo anterior, la máxima intensidad en un poste alcanza un 60 % de la del rayo. En el caso expresado en la figura 4 se han registrado corrientes de poste de hasta 60 kA de valor de cresta. Si se supone, por ejemplo, que la resistencia de paso del poste con relación a tierra es de 20 ohmios, esto exige que el poste soporte un potencial de : 

60 x 20 = 1.200 kV

A causa de esta elevadísima tensión, puede suceder que se produzcan descargas de retroceso desde el poste hacia las líneas. Para evitar estas descargas, la resistencia de paso del poste debe ser lo más reducida posible, de forma que siempre la resistencia de paso del poste a tierra resulte menor que la tensión de descarga superficial por choque de los aisladores. Por ejemplo, si se utilizan aisladores normales, para una línea de 110 kV, la resistencia de paso ha de ser inferior de 15 ohmios y, para una línea de 50 kV, inferior de 8 ohmios. Es muy difícil obtener las resistencias de derivación a tierra francamente bajas, que se necesitan para evitar las sobretensiones indicadas; con los medios de protección actualmente empleados,  se consiguen desviar a tierra hasta un 97 % de las descargas. Entonces, se puede dimensionar la tierra del poste para una corriente de 40 a 50 kA.

Cuando un rayo directo cae sobre un poste de madera, generalmente se producen grietas y resquebrajaduras, con el peligro de que la corriente ulterior de servicio pueda hacer que arda el poste.

Cuanto más seguras son las líneas, más expuestas están las estaciones de transformación a perturbaciones, ya que pasan a ser los puntos más débiles de la red. Estas perturbaciones pueden estar originadas por rayos directos o por ondas errantes debidas a descargas en otros puntos de la línea. La tensión de la onda incidente corresponde a la tensión de descarga superficial por choque de los aisladores de la línea aérea. Téngase en cuenta que, tal como se dijo al estudiar las ondas errantes, en las estaciones de cabecera, la onda se refleja y, por lo tanto, se dobla la tensión. El efecto corona y la resistencia óhmica de las líneas amortiguan la onda errante en su camino por la línea. Ocasionalmente, también se producen descargas directas, con las consiguientes averías, en los cables subterráneos, aunque parezca que están protegidos por la misma tierra contra los efectos de estas descargas. Sin embargo, estas perturbaciones debidas a rayos se originan solamente en los cables tendidos en suelos poco conductores; en estos casos, la descarga se propaga a lo largo de la armadura y de la envoltura de plomo, en busca de los puntos en que la tierra ofrece una buena conductividad eléctrica.

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