UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE PRODUCCION Y SERVICIO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

TECNICAS DE ALTA TENSION

TEMA:

SOBRETENSIONES

DOCENTE:

ING. HOLGER MEZA

REALIZADO POR:

BRYAN VALDIVIA ZUIGA

INTRODUCCION

La coordinacin del aislamiento tiene por objeto determinar las caractersticas de aislamiento necesarias y suficientes de los equipos de las redes elctricas y en este caso especfico de las subestaciones, para garantizar que el nivel de tensin soportada por el aislamiento del equipo sea mayor que la tensin que pueda aparecer como resultado de una sobretensin transitoria, una vez que esta ha sido limitada por el dispositivo de proteccin o pararrayos. Tomando en cuenta las condiciones medioambientales y de ubicacin de la subestacin. Es decir, la coordinacin de aislamiento consiste en relacionar las sobretensiones que puedan aparecer en el sistema y los niveles de proteccin de los pararrayos con los niveles de aislamiento del equipo.La tensin soportada se define como el valor de tensin de prueba para el cual el aislamiento, bajo condiciones especificadas, soporta un cierto nmero de descargas disruptivas sin presentar falla . Los valores estandarizados de tensin soportada varan segn el tipo de sobretensin aplicada, es as que para sistemas del Rango I se especifican tensiones soportadas de corta duracin a frecuencia industrial y a sobretensiones atmosfricas. Mientras que para sistemas del Rango II se especifican tensiones soportadas a sobretensiones atmosfricas y a sobretensiones de maniobra, siendo estas ltimas las de mayor importancia para este rango.

INDICESOBRETENSIONES.pg. 4

SOBRETENSIONES A FRECUENCIA INDUSTRIAL..pg. 4

SOBRETENSIONES EN UNA LINEA LARGA EN VACIO (EFECTO FERRANTI)pg. 6

SOBRETENSIONES POR FERRORRESONANCIA..pg. 6

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA..pg. 8

SOBRETENSIONES PROVOCADAS POR EL ESTABLEECIMIENTO O LA INTERRUPCION DE PEQUEAS CORRIENTES INDUCTIVAS..pg. 8

SOBRETENSIONES DE CONMUTACION EN CARGA NOMINALpg. 8

SOBRETENSIONES PROVOCADAS POR MANIOBRAS E CIRCUITOS CAPACITIVOS.pg. 12

SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS.pg. 13

SOBRETENSIONES

Se definen como tales las perturbaciones que se superponen a la tensin nominal de un circuito. Pueden aparecer: - entre fases o entre circuitos distintos, y son llamadas de modo diferencial,- entre los conductores activos y una masa, o la tierra, y son llamados de modo comn. Su carcter variado y aleatorio las hace difcil de caracterizar y slo autoriza una aproximacin estadstica en lo que concierne a su duracin, sus amplitudes y sus efectos. La tabla de la figura 1 presenta las principales caractersticas de estasperturbaciones. En realidad los riesgos se sitan esencialmente al nivel de los disfuncionamientos, de ladestruccin del material y, como consecuencia en la no continuidad del servicio. Sus efectos puedenpresentarse en las instalaciones de los usuarios.Las perturbaciones pueden conducir a:- interrupciones cortas (reenganche automtico en las instalaciones de distribucin pblica MT por lneas areas),- interrupciones largas (intervencin para el cambio de los aislantes destruidos; ver reemplazodel material). Los aparatos de proteccin permiten limitar los riesgos. Su puesta en servicio necesita la elaboracin reflexiva de los niveles coherentes de aislamiento y proteccin.Para ello, es indispensable una comprensin previa de los diferentes tipos de sobretensin.

SOBRETENSIONES A FRECUENCIA INDUSTRIAL

Bajo esta denominacin de frecuencia industrial se reagrupan las sobretensiones de frecuenciasinferiores a 500 Hz. Se recuerda que las frecuencias industriales ms frecuentes son: 50, 60 y 400 Hz.

Sobretensiones provocadas por un defecto de aislamiento (figura 2) Una sobretensin debida a un defecto de aislamiento se manifiesta en una red trifsica, cuando el neutro est aislado, o es impedante.En efecto, despus de un defecto de aislamiento entre una fase y la masa o la tierra (dao en un cablesubterrneo, puesta a tierra de un conductor areo por una rama, defectos en el equipamiento, .) la fase afectada se pone al potencial de tierra y las otras dos fases quedan entonces, con respecto a tierrasometidas a la tensin compuesta

De forma ms exacta, despus de un defecto de aislamiento en la fase A, se define como factor Sd de defecto a tierra la relacin de la tensin de fases B y C con relacin a tierra, a la tensin simple de la red. La siguiente ecuacin permite calcular este factor Sd:

siendo X0 la reactancia homopolar y Xd la reactancia directa de la red vista desde el defecto. A sealar que- si el neutro est perfectamente aislado (o sea, X0 = ): Sd = 31/2 = 3 .- si la puesta a tierra del neutro es perfecta (o sea, X0 = Xd): Sd = 1.- si, como se tiene en general, X0 3 Xd : Sd 1,25.

SOBRETENSIONES EN UNA LINEA LARGA EN VACIO (EFECTO FERRANTI)

Se puede producir una sobretensin cuando una lnea de gran longitud es alimentada por una de susextremidades y sin carga en la otra. Ello se debe a un fenmeno de resonancia que se manifiesta por una onda de tensin de crecimiento lineal a lo largo de la lnea.En efecto, con- L y C designando respectivamente la inductancia y la capacidad total de la lnea;-Us y Ue las tensiones en la extremidad abierta y en la entrada de la lnea, el factor de sobretensin esigual a:

Este factor de sobretensin es del orden de 1,05 para una lnea de 300 km y de 1,16 para una lnea de 500km. Estos valores son sensiblemente los mismos para las lneas de AT y MAT.Este fenmeno se produce, en particular, cuando una lnea larga es descargada bruscamente.

SOBRETENSIONES POR FERRORRESONANCIA

La sobretensin es entonces el resultado de una resonancia particular que se produce cuando un circuito comporta a la vez un condensador (voluntario o parsito) y una autoinduccin con circuito magntico saturable (por ejemplo, un transformador). Esta resonancia puede aparecer, sobre todo, cuando una maniobra (apertura o cierre de un circuito) se realiza en la red con un aparato de polos separados, o de funcionamiento no simultneo. El circuito representado por el esquema de la figura 3, con una inductancia saturable L y una capacidad C en serie, facilita la comprensin del fenmeno. Es ahora posible dibujar las tres curvas:Uc = f (i), UL = f (i) y(UL - 1/C..i) = f (i);- la primera es una recta de pendiente 1/ C.,-la segunda, una curva que presenta un codo de saturacin,-y la tercera permite visualizar dos puntos de funcionamiento (O y B) para los cuales la tensin en los bornes del conjunto LC es nula, y otros dos M y P de funcionamiento estable; N es un punto de funcionamiento inestable. Las tensiones en los bornes de L y de C (punto P) son elevadas. El paso del punto M al punto P puede ser debido a un transitorio que aumenta momentneamente la tensin a un valor superior a E.Estas sobretensiones (figura 3) hacen aparecer un riesgo de perforacin dielctrica as como un peligro para los eventuales receptores en paralelo con C. Pero generalmente las potencias puestas en juego son bastante reducidas (1/2 C.V2, siendo C pequea) y no son susceptibles de daar ms que a los materiales frgiles. Es el fabricante del material el que puede evaluar y limitar este riesgo.

SOBRETENSIONES DE MANIOBRA

La modificacin brusca de la estructura de una red elctrica provoca la manifestacin de fenmenos transitorios. stos se traducen, a menudo, por la aparicin de una onda de sobretensin o de un tren de ondas de alta frecuencia de tipo aperidico, u oscilatorio, de amortiguamiento rpido.

SOBRETENSIONES DE CONMUTACION EN CARGA NOMINAL

Una carga normal es esencialmente resistiva, es decir, que su factor de potencia es superior a 0,7. En este caso el corte o el establecimiento de las corrientes de carga no plantea un problema mayor. El coeficiente de sobretensin (relacin de las amplitudes de la tensin transitoria y de la tensin de servicio) vara entre 1,2 y 1,5.

SOBRETENSIONES PROVOCADAS POR EL ESTABLEECIMIENTO O LA INTERRUPCION DE PEQUEAS CORRIENTES INDUCTIVAS

Este tipo de sobretensin tiene tres fenmenos generadores: la supresin brusca de la corriente, el recebado y el precebado. El esquema de la figura 4 representa una red que alimenta una carga a travs de un interruptor automtico y comporta:- una fuente de tensin senoidal, de induccin L1 y de capacidad C1,- un interruptor automtico D, no disociable de sus elementos parsitos Lp1 y Cp1,- una carga inductiva L2 de la que no puede ignorarse su capacidad repartida simbolizada por el condensador C2,- por ltimo una inductancia de lnea L0, generalmente despreciable.- supresin brusca de una corriente En la ruptura de corrientes de reducido valor, notablemente inferiores a la corriente nominal del interruptor automtico, el arco que aparece ocupa un pequeo volumen. Sin embargo est sometido a un enfriamiento importante, ligado a la capacidad del interruptor automtico para cortar corrientes muy superiores. De este hecho, el arco se hace inestable y su tensin puede presentar variaciones relativas importantes, en tanto que su valor absoluto se mantiene muy por debajo de la tensin de la red (caso del SF6 o del vaco). Estas variaciones de fuerza electromotriz pueden generar en las capacidades vecinas, parsitas o voluntarias, corrientes oscilatorias (figura 4) de elevada frecuencia: la amplitud de estas corrientes puede llegar a ser no despreciables frente a la corriente 50 Hz y alcanzar el 10% del valor de sta. La superposicin de la corriente 50 Hz y de esta corriente de alta frecuencia en el interruptor automtico va a motivar la existencia de muchos pasos por cero de la corriente en las proximidades del cero de la onda fundamental de 50 Hz (figura 5). El interruptor automtico poco solicitado por estas corrientes de reducidos valores es a menudo capaz de cortar al primer paso por cero que se presenta. En ese instante las corrientes en los circuitos del generador y de la carga no son nulas. El valor instantneo y de la onda de 50 Hz al extinguirse el arco es denominada corriente de supresin brusca, o corriente arrancada, como dicen losfranceses. Esta supresin brusca determina sobretensiones que son funcin de la naturaleza de las impedancias puestas en juego, resistivas o inductivas, esencialmente de la energa almacenada en el circuito.En el caso de pequeas corrientes inductivas (figura 4), tenemos una carga que presenta un elevada independencia, que en el instante de la extincin del arco, tendr una energa almacenada dada por:

siendo Is la corriente de supresin brusca. El circuito L2 C2 queda en rgimen de oscilaciones libres, pocoamortiguadas, y la tensin de cresta que aparecer en los bornes de C2 vendr dada, segn la hiptesis deconservacin de energa, por:

Si C2 slo est constituida por las capacidades parsitas respecto a masa, el valor de V puede tomar valores peligrosos para los aislantes presentes en los materiales (interruptor automtico, o la carga).El circuito del generador tiene un comportamiento equivalente, pero su autoinduccin L1, es generalmente muy inferior y las tensiones que aparecen en los bornes de C1 son, pues, ms reducidas.-el recebado Se produce cuando el fenmeno de supresin antes explicado ha hecho aparecer entre los bornes del interruptor automtico una sobretensin diferencial que ste no puede soportar: entonces se produce un arco. Esta explicacin elemental y bsica se complica por la presencia de los elementos parsitosprecedentemente citados. En efecto, despus de la ruptura de la corriente y del recebado del arco, sobrevienen simultneamente tres fenmenos oscilatorios a las frecuencias respectivas:

del orden de 5 a 20 kHz. Aparecen entonces mltiples recebados (hachazos) hasta que la separacin de los contactos, que va en aumento, los hace imposibles. Se caracterizan por trenes de ondas de alta frecuencia de amplitud creciente.Estos trenes de sobretensiones, aguas arriba y abajo del interruptor automtico, pueden, pues, ser muypeligrosos para los materiales aislantes que llevan los bobinados. Conviene no confundir este fenmeno con el denominado reencendido que corresponde a la reaparicin de una onda de corriente a la frecuencia industrial y por tanto a un fallo de la ruptura en el cero de la onda de corriente. n el precebado En el curso del cierre de un aparato interruptor (interruptor, contactor o interruptor automtico) se alcanza un instante en el que la tensin dielctrica entre los contactos se hace inferior a la tensin aplicada.

Para los aparatos a cierre rpido, con relacin a 50 Hz, el comportamiento es funcin del ngulo de fase, en elmomento de la maniobra. Se establece entonces un arco entre los contactos y el circuito queda sujeto a una impulsin de tensin correspondiente a la anulacin brutal de las tensiones entre los bornes del aparato. Esta impulsin puede ocasionar oscilaciones en los circuitos paralelos existentes (descargas oscilantes de capacidades parsitas) as como reflexiones en las rupturas de impedancia y por tanto la manifestacin de corrientes de frecuencia elevada, con relacin a 50 Hz, a travs del arco. Si la maniobra del aparato es lenta, con relacin a este fenmeno, se pueden obtener pasos por cero de la corriente de arco por superposicinde la corriente de alta frecuencia y de la corriente de 50 Hz naciente. La extincin eventual del arco, enfuncin de las caractersticas de la aparamenta, va entonces a conllevar un comportamiento anlogo al quese ha descrito para los fenmenos precedentes.Sin embargo, como la tensin dielctrica entre los contactos va disminuyendo a medida que se cierra, las sobretensiones sucesivas disminuyen hasta el cierre completo. Este fenmeno es muy complejo. Lassobretensiones que de l resultan dependen entre otros: -de las caractersticas del interruptor automtico, (propiedades dielctricas, aptitud para interrumpir una corriente de alta frecuencia, .),- de la impedancia caracterstica de los cables,-de las frecuencias propias del circuito de carga.En general, no se puede hacer la predeterminacin de las sobretensiones porque es muy difcil de calcularlas pues intervienen elementos difcilmente cuantificables y variables de una y otra parte, por lo que es necesario un modelo matemtico muy preciso de la cmara de ruptura. Las sobretensiones de precebadoafectan particularmente en AT o MT a los transformadores en vaco, al ser puestos en tensin, y a los motoresen el arranque (Cuaderno Tcnico Schneider n 143).

SOBRETENSIONES PROVOCADAS POR MANIOBRAS E CIRCUITOS CAPACITIVOS

Por circuitos capacitivos entendemos a los circuitos constituidos por bateras de condensadores y a laslneas en vaco.- puesta en tensin de bateras de condensadoresEn el momento de la puesta en tensin de bateras de condensadores, a priori sin carga inicial y en el caso de un aparato de maniobra lento, un cebado de arco se produce entre los contactos de cierre en las proximidades de la cresta de la onda de tensin de 50 Hz. Aparece entonces una oscilacin amortiguada en el sistema LC de la figura 6. La frecuencia de esta oscilacin en general es general es netamente superior a la frecuencia de la red y la oscilacin de la tensin est sensiblemente centrada alrededor del valor de cresta de 50 Hz. El valor de la tensin mxima observada es entonces del orden de dos veces el valor de cresta de laonda de 50 Hz. Con un aparato de maniobra ms rpido, el cebado no se produce sistemticamente en lasproximidades de la cresta y la sobretensin eventual es pues ms reducida. Si una batera de condensadores se pone en servicio muy poco despus de ser separada de la red, como an conserva una tensin de carga residual de un valor comprendido entre cero y la tensin de cresta de la onda de 50 Hz. El cebado entre los contactos se produce en las proximidades de una cresta de polaridad opuesta (cebado del arco bajo una tensin dos veces el valor de la tensin de cresta).La oscilacin antes descrita se produce con una impulsin inicial doblada. El valor de la tensin mxima observada puede entonces ser prxima a tres veces la tensin de cresta de 50 Hz. Por razones de seguridad las bateras de condensadores estn siempre equipadas con resistencias de descarga que permiten eliminar las tensiones residuales con una constante de tiempo del orden de 1 minuto. En consecuencia un factor de sobretensin de 3 corresponde a casos muy particulares.- puesta en tensin de lneas o cables en vacoEl cierre lento de un aparato sobre este tipo de carga conlleva, tambin aqu, un cebado del arco en lasproximidades de la cresta de 50 Hz, y el escaln de tensin aplicada a un extremo de la lnea o del cable va a propagarse y reflejarse en el otro extremo abierto (anexo 1). La superposicin del escaln incidente y del escaln reflejado conduce a una sobretensin igual a dos veces la tensin aplicada, despreciando los amortiguamientos, y con la hiptesis de que los 50 Hz son asimilables a una continua para estos fenmenos.Este tipo de comportamiento, est ligado a las capacidades y autoinducciones repartidas de los conductores considerados; las lneas areas presentan, adems, un acoplamiento entre fases, todo lo cual hace la modelizacin bastante compleja.Este fenmeno de la reflexin debe tenerse en cuenta sobre todo en las lneas de transporte (MAT) , a tenorde la pequea separacin relativa entre tensin de servicio y tensin de aislamiento.

SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS

Las tormentas son un fenmeno natural, conocido por todos, espectacular y peligroso.En el mundo se producen unas 1000 tormentas cada da. En Francia (figura 8) ocasionan cada ao un10% de los incendios, la muerte de 40 personas y de 20 000 animales, y 50 000 cortes de corriente o detelfonos. Las redes areas son las ms afectadas por las sobretensiones y sobreintensidades de origenatmosfrico.

EL RAYO DIRECTO

Se manifiesta por la inyeccin en la lnea de una onda de corriente de varias decenas de kA. Esta onda decorriente que puede fundir los conductores, al propagarse a una y otra parte del punto del impacto(figura 9) provoca un aumento de la tensin U dada por la frmula

siendo i la corriente inyectada y Zc la impedancia homopolar caractersticas de la lnea (300 a1000 ohms). U alcanza valores de varios millones de voltios, que no son soportablespor ninguna lnea. En un punto de sta, por ejemplo en la primera torre que encuentre la onda, la tensincrece hasta que se produce la perforacin en el aire de la distancia de aislamiento (la cadena deaisladores). Segn que el cebado de este arco se haya producido o no (funcin del valor de la corrienteinyectada en la lnea), la onda quecontina propagndose despus de la torre se denomina cortada o plena. Para las diferentes tensiones de red, no se tiene un cebado de arco por debajo de la corriente crtica indicada por la recta de la figura 10.

EL RAYO INDIRECTO

Cuando el rayo cae sobre una torre, o simplemente en las proximidades de una lnea, se generan en la redsobretensiones importantes. Este segundo caso, ms frecuente que el rayo directo, puede manifestarse tambin peligroso. n si el rayo cae sobre una torre, o sobre el cable de guarda, el paso dela corriente a tierra determina un aumento del potencial de las masas metlicas con respecto a tierra (figura 11). La sobretensin U correspondiente puede alcanzar varias centenas de kV

ALTA TENSIONPgina 1