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Cable Testing
TECNICA DE LA ALTA TENSION
CAPITULO 3 - PROCESOS ELECTROMAGNETICOS OSCILATORIOS Y DE CHOQUE
Introducción
La construcción de instalaciones eléctricas requiere adquirir equipamientos eléctricos que deben seleccionarse entre los existentes en el mercado, en general no se construyen equipos especialmente para una dada instalación, por lo tanto se inicia desarrollando estudios que tienden a fijar las características que deberían tener estos equipos, y se verifican que éstas características entren dentro de los rangos normales de producción.
Los estudios en cuestión (con distintas finalidades) reciben distintos nombres, y en ellos se trata de representar el funcionamiento normal del sistema eléctrico (flujo de potencia que determina las corrientes nominales), las condiciones de corrientes de falla (estudios de cortocircuito para determinar la capacidad de interrupción y los esfuerzos), los estados de sobretensión (estudios transitorios para determinar los niveles de aislamiento).
Sobretensiones y sistemas de puesta a tierra
En los sistemas eléctricos, por distintas causas se presentan sobretensiones, que pueden producir colapsos de la aislación y en consecuencia daños y/o pérdida del servicio.
La aislación debe ser elegida económicamente, sobredimensionarla implica aumentos de tamaño y peso de los cables y equipos, aumento de la resistencia al flujo de calor (en consecuencia disminución de las densidades de corrientes y del aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos.
La aislación debe estar dimensionada para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentarán en servicio; resumiendo el párrafo anterior un ulterior sobredimensinamiento no implica beneficio alguno.
Las sobretensiones que se presentan dependen de factores externos a la red, de características de componentes de la red, y de características de diseño de la red.
El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del diseño, en forma tal de lograr que las sobretensiones sean mínimas, evitando configuraciones de la red que puedan causar sobretensiones, eligiendo componentes adecuados por sus parámetros y formas de operación, previendo y proyectando las protecciones oportunas.
Los valores de sobretensiones que se presentan están relacionados con las características de puesta a tierra del centro estrella del sistema eléctrico, pudiendo éste estar conectado rígidamente a tierra o aislado o en condiciones intermedias conectado a tierra a través de una impedancia (resistencia o reactancia).
Origen de las sobretensiones
Históricamente las sobretensiones se clasificaron por su origen, externas e internas, las primeras debidas a rayos, descargas atmosféricas y las segundas debidas particularmente a maniobras en la red.
Las solicitaciones en los equipamientos de un sistema eléctrico se originan por diversas causas y su estudio depende mucho del tipo de evento investigado.
Se hacen estudios de sobretensiones, cuyo objetivo es obtener los valores correspondientes a los fenómenos transitorios, resultados que se utilizan para la especificación de los equipos.
Estos estudios se pueden realizar con programas de computadora que incluyen modelos para cálculo numérico que resuelve las ecuaciones diferenciales que corresponden al sistema eléctrico (EMTP ElectroMagnetic Transient Program - ATP Alternative Transient Program).
Anteriormente estos estudios se realizaban mediante modelos a escala, simuladores analógicos donde están representados los elementos del sistema eléctrico (TNA Transient Network Analizer).
Ya hemos visto que las sobretensiones pueden ser clasificadas por su origen en forma muy amplia en dos grupos: sobretensiones externas y sobretensiones internas, respectivamente. Esta clasificación es meramente académica y no tiene en cuenta los intereses relacionados con la especificación de los equipamientos, siendo más adecuada otra clasificación, asociada con el tiempo de duración y el grado de amortiguamiento de las sobretensiones. Basándose en este concepto, por su forma y duración, se clasifican en sobretensiones de tipo atmosférico, sobretensiones de tipo de maniobra y sobretensiones temporarias.
Las sobretensiones atmosféricas están caracterizadas por un frente de onda de algunos microsegundos a pocas decenas de microsegundos. Una sobretensión de cualquier otro origen, que tenga características de frente de onda similares a las utilizadas para definir las sobretensiones atmosféricas, también se clasifica como sobretensión atmosférica.
La figura 57 representa un ejemplo típico de una sobretensión atmosférica, obtenida en bornes de un transformador de un estudio de inyección de sobretensiones en una subestación, incluyéndose, por lo tanto, el efecto de los descargadores que limitan la amplitud de la sobretensión.
Se puede observar que la tensión resultante es unidireccional y con un pico máximo bien definido.
Las sobretensiones de maniobra resultan, principalmente por la apertura y cierre de circuitos y de fallas en el sistema eléctrico.
La figura 58 representa un ejemplo típico de una sobretensión de maniobra fuertemente amortiguada, que corresponde a una simulación de energización de una larga línea de transmisión (alimentada de un extremo y abierta en el otro extremo).
La figura 59 muestra un ejemplo típico de una sobretensión de maniobra oscilatoria, debida a una simulación de reconexión de carga en el sistema.
Los ejemplos más comunes de eventos que provocan sobretensiones de maniobra son energización y reconexión de líneas de transmisión, ocurrencia de fallas con desplazamiento del neutro y eliminación de fallas, energización de transformadores y reconexión de carga.
Las sobretensiones temporarias se caracterizan, principalmente, por su larga duración y picos de amplitud reducida. Están asociadas comúnmente a maniobras de reconexión de carga, ocurrencia de fallas con desplazamiento de neutro y energización de líneas en vacío.
Las tres categorías de sobretensiones discutidas hasta aquí son, generalmente, objeto de estudios para la determinación de las solicitaciones de los equipamientos de un sistema eléctrico.
Causas y efectos
En un sistema trifásico, equilibrado, la tensión hacia tierra es la tensión de fase 
Se denomina sobretensión a toda tensión, función del tiempo, que supera el valor de cresta de la tensión más elevada, que puede presentarse normalmente.
Una sobretensión fase-tierra se refiere al valor de cresta de la tensión simple 
(valor de pico obtenido del valor eficaz de la tensión simple).
Una sobretensión entre fases en valor relativo se indica en la forma 
y se refiere también a 
(se usa la misma referencia que para la tensión simple, y se pone en evidencia el factor 
para que el factor de sobretensión sea comparable a los fenómenos de las tensiones simples).
Las causas de sobretensiones pueden ser varias, y se enumeran a continuación las más frecuentes.
Los cables de guardia o los conductores de fase pueden ser afectados por descargas atmosféricas, en algunos casos la descarga incide en los cables de guardia y se propaga (arco inverso) a los conductores.
Estas descargas son causa de ondas de sobretensión que se desplazan por las líneas del sistema, alcanzando las estaciones eléctricas y solicitando los elementos de la red.
Las ondas de sobretensión, llamadas ondas viajeras se reflejan y refractan en los puntos de discontinuidad de la impedancia de las líneas variando su forma.
Una nube cargada produce sobretensiones estáticas de inducción capacitiva, y al desplazarse o descargarse la nube la sobretensión en la línea se desplaza en forma análoga a las sobretensiones atmosféricas.
Efectos análogos al frotamiento, debidos al viento (seco) producen cargas electrostáticas en las líneas.
Pueden producirse contactos entre una parte del sistema de tensión inferior, con un sistema de tensión más elevada, y en consecuencia se presentarán peligrosas sobretensiones en el sistema de tensión inferior.
Las vibraciones pueden producir condiciones de falla intermitente (cortocircuitos repetidos) y causar sobretensiones de importancia por carga de capacitancias.
Las conexiones en autotransformador en casos de falla del circuito, del lado alimentación, implican sobretensiones del lado carga que pueden ser inadmisibles.
Capacitancias e inductancias pueden producir condiciones de resonancia y en consecuencia sobrecorrientes y/o sobretensiones, como generalmente hay núcleos de hierro en muchos casos se pueden presentar fenómenos de ferroresonancia.
Las maniobras de interrupción, son origen de sobretensiones, de mayor o menor importancia según sea la forma de interrumpir del aparato, y las características del circuito.
El establecimiento de corriente en ciertos circuitos, el restablecimiento de corriente (durante una interrupción) pueden dar lugar a sobretensiones.
Las interrupciones bruscas de cargas, crean también sobretensiones en determinados puntos del sistema.
Acabamos de clasificar, en una forma detallada, por su origen las sobretensiones, en cambio analizando su duración, se puede decir que son transitorias (de breve duración), temporarias (de duración importante) o permanentes.
Analizando su forma se reconocen como impulsivas o periódicas (de frecuencias bajas).
La clasificación por las características de duración y forma es particularmente importante porque la normalización de ensayos, cuyo objeto es demostrar que los equipos pueden soportar estas solicitaciones, se basa precisamente en dicha clasificación.
Así se justifican los ensayos con sobretensiones:
- de frecuencia industrial, que simulan condiciones originadas en contactos, desconexión de cargas, resonancia, etc.
- de maniobra, debidas a esta causa, y que se simulan con impulsos de tensión que crecen en tiempos de los 100 microsegundos y duran del orden de los 1000 microsegundos.
- de impulso, que simulan descargas atmosféricas que crecen en tiempos del orden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 - 100 microsegundos.
Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen son totalmente distintas, y en consecuencia los aparatos deben tener características adecuadas para soportarlas.
Es importante que el equipamiento no sufra daños ni envejecimientos prematuros por causa de estas sobretensiones.
La amplitud de las sobretensiones está especialmente ligada a la conexión más o menos efectiva del neutro del sistema a tierra.
Si el sistema está aislado de tierra, en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero, en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estáticas.
En casos de neutro aislado también los contactos con circuitos de tensión superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensión superior, y su desconexión.
En el diseño se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones de peligro, de contactos, de arcos intermitentes, se deben controlar que las sobretensiones por condiciones transitorias (desconexión de las cargas, etc.) por maniobras, sean moderadas.
Las sobretensiones de origen interno están ligadas a la tensión nominal del sistema a través de algún coeficiente que depende de la puesta a tierra.
En cambio, las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que no depende de la tensión nominal del sistema, al menos en principio.
En su propagación por las líneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por fenómenos de efecto corona, o por descargas en determinados puntos.
Para limitar el valor de estas sobretensiones, y proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosféricas se instalan descargadores.
A veces a los descargadores se les asigna la función de drenar también las sobretensiones de maniobra.
La variedad de situaciones, y la gran cantidad de parámetros que definen las características de interés, ha evidenciado particularmente para estos temas, conocidos como coordinación de la aislación, la importancia de la normalización, veamos estos conceptos partiendo de lo general.
Normas - Generalidades
Normalización y unificación no son conceptos nuevos, sino se remontan a los orígenes de las primeras comunidades humanas en las cuales, casi inconscientemente los hombres comenzaron a utilizar un lenguaje común (primeras unificaciones) y luego normas comunes de convivencia (primeras normalizaciones).
Hoy día en el campo industrial a las palabras "normalización" y "unificación" se atribuye el siguiente significado:
- Normalización: se entiende el conjunto de aquellos criterios de índole general en base a los cuales deben ser proyectadas, construidas y ensayadas las instalaciones, las máquinas, los aparatos o los materiales objeto de las normas mismas, a fin de garantizar la eficiencia técnica y la seguridad de funcionamiento.
- Unificación: se entiende el conjunto de prescripciones que fijan para la máquina, el aparato o el material objeto de unificación una estrecha gama de tipos constructivos y de dimensiones entre los infinitos posibles a fin de reducir los costos, de facilitar el aprovisionamiento de los repuestos y de permitir la reducción de las reservas en almacén.
Normalización y unificación liberan a las iniciativas de todas aquellas manifestaciones irracionales que no podrán producir ventajas ni a la comunidad, ni a sus mismos promotores. Tales iniciativas pueden requerir algún sacrificio a la libertad individual, pero este sacrificio debe ser evaluado en función de las ventajas de carácter colectivo que se consiguen.
La normalización en el campo electrotécnico
En campo internacional los trabajos de normalización electrotécnica son competencia del Comité Electrotécnico Internacional (IEC International Electrotechnical Commission).
Para obtener su finalidad el IEC publica recomendaciones internacionales (muchas de las cuales con el nombre de Normas Internacionales) que expresan dentro de los límites más amplios posibles un acuerdo internacional sobre los argumentos tratados.
Tales recomendaciones están destinadas a ayudar a los Comités Nacionales en la elaboración de las normas del propio país, de manera de armonizar las prescripciones técnicas de las distintas naciones y facilitar los intercambios de material eléctrico.
Existe además la Commission International de Reglamentation en vue de l'aprobation de l'Equipment Electrique (CEEI).
Este organismo esta limitado a países europeos y ha asumido la función de formular prescripciones precisas para la construcción del material eléctrico de uso común generalmente adquirido y utilizado por usuarios inexpertos, a fin de proteger personas y cosas de los riesgos que puedan derivar del uso de material eléctrico de calidad deficiente.
En Argentina el órgano oficial que provee a la normalización es el IRAM Instituto Argentino de Racionalización de Materiales.
Existe también una Asociación Argentina de Electrotécnicos que publicó normas y reglamentos aplicables a instalaciones.
El Comité Electrotécnico Argentino CEA es el corresponsal del IEC en argentina y se ocupa de distribuir las normas IEC y de participar en las discusiones en campo internacional.
A modo de ejemplo veamos como es la normalización electrotécnica en Italia:
El órgano oficial que en Italia provee a la normalización en el campo eléctrico es el Comité Electrotécnico Italiano CEI fundado en 1909 por la Asociación Electrotécnica Italiana AEI.
Las atribuciones del CEI son las siguientes:
- Estudiar todos los problemas de carácter científico y técnico que se refieren a los materiales, las máquinas y los aparatos eléctricos como también la ejecución de las correspondientes instalaciones.
- Compilar las normas que conciernen la producción, la instalación, el ensayo, y el servicio de los materiales, máquinas e instalaciones antes citadas.
- Asegurar en el ámbito de la propia competencia la conexión con análogos entes extranjeros e internacionales y con el ente nacional de unificación.
La unificación en el campo electrotécnico
El órgano que tiene la función de unificar en Argentina también es el IRAM.
Sigamos comentando el caso Italiano, que presenta particularidades distintas.
El órgano cuya función es la unificación dimensional en el campo electrotécnico en Italia es el UNEL (Unificazione Elettrotecnica)
El UNEL tiene los siguientes objetivos:
- Técnicos: aligerar el trabajo de las oficinas de proyecto de las fábricas, mayor rapidez de construcción de los materiales.
- Organizativos: una más racional producción y en consecuencia un notable ahorro de tiempo en la ejecución de los trabajos.
- Económicos: perfeccionamiento del proceso productivo, consiguiente reducción de costos, mejoramiento de la calidad de los materiales, expansión de las ventas.
El órgano nacional que en Italia se ocupa actualmente de unificación en campo general excluido el eléctrico es el UNI (Ente Nazionale Unificazione).
Los órganos de Control
En la Argentina el IRAM también se ocupa de la función de control, utilizando los servicios de distintos laboratorios y en particular de los laboratorios de los fabricantes.
La liberación de trabas aduaneras, y cambios comerciales que caracterizaron nuestro mundo de fin de siglo, generaron una invasión de productos muy económicos pero de baja calidad, que cumplen algunas normas en forma restringida (en rigor debe decirse no cumplen).
La iniciativa de evitar la penetración en el mercado de estos productos, particularmente destinados a los usuarios comunes que nada saben de calidad y normas, ha delegado a la Aduana la función de vigilancia.
Así es que la importación de productos electrotécnicos debe ser acompañada de declaración de normas que los productos satisfacen, y eventualmente con intervención de ciertos institutos la correspondiente verificación.
Es obvia la buena intención de esta iniciativa, y la dificultad de una ágil implementación en el breve plazo.
En los países altamente industrializados existen institutos que se ocupan de la marca de calidad, en Italia por ejemplo:
- Instituto Italiano del Marchio di Qualita
Este instituto tiene la función especifica de garantizar la calidad, y en modo particular la seguridad del material y de los aparatos eléctricos con referencia a los usuarios, para eliminar del mercado el material deficiente.
Controla si los productos para los cuales es solicitado el uso de la marca corresponden a lo prescrito por las normas CEI y las tablas UNEL; concede al fabricante el uso de una marca para aquellos productos de los cuales ha asegurado la conformidad; vigila además que estos conserven en el curso de la producción y en el mercado aquellas características técnicas que le valieron para la concesión.
Para comprobar la calidad y características de los productos, es necesario ensayarlos, en Italia existe entre otros institutos el CESI, que se ocupa de realizar las pruebas.
- Centro Eletrotecnico Sperimentale Italiano (CESI)
La finalidad del CESI es poner a disposición de la industria un Laboratorio capaz de realizar pruebas de carácter eléctrico que sirvan tanto para el desarrollo de aparatos prototipo como para emitir certificados oficiales de los ensayos realizados.
Este organismo trabaja especialmente en el campo de tensiones y potencias muy superiores a las del Instituto Italiano del Marchio di Qualita.
Las normas de Ley sobre las instalaciones eléctricas
Las leyes que se ocupan directamente de estos problemas aun no han surgido con solidez suficiente en nuestro país.
Algunas leyes hacen referencia a condiciones generales de seguridad, en particular debe destacarse la ley de Higiene y Seguridad en el trabajo que cita el reglamento de la AEA.
Hemos comentado el intento de impedir la penetración en el mercado desde el exterior de productos no cubiertos por normas, la exigencia del cumplimiento de la norma IRAM es la condición de calidad que se está difundiendo en el país.
La aislación y las normas
Los conceptos ligados a las normas y unificaciones tratados deben servir de introducción al análisis de las características de aislación que nos interesan examinar para los sistemas y aparatos eléctricos.
La razón es que se ha desarrollado un enorme trabajo de normalización desde que se entendió la enorme importancia de las características de la aislación en los sistemas eléctricos.
Sin duda la aislación es uno de los temas que más afecta el costo de las instalaciones eléctricas y condiciona los progresos.
Comparación de las sobretensiones
La figura 60 muestra una comparación entre la duración de los distintos tipos de sobretensiones que se presentan en el sistema eléctrico.
- La tensión máxima que puede presentarse en modo permanente, define la tensión nominal de los equipos.
- Las sobretensiones temporarias, resultan de cambios de configuración de la red, y se presentan ante pérdidas de carga, resonancias, fallas a tierra. Su duración es del orden del tiempo de actuación de los reguladores o las protecciones.
- El nivel de las sobretensiones depende de la configuración de la red y del punto considerado, y en general es tanto menor cuanto más mallada es la red y cuantas más puestas a tierra de neutros se tengan.
- Las sobretensiones de maniobra se presentan ante los cambios bruscos de configuración de la red, asociadas a cierres y aperturas de interruptores o a fallas.
Se trata de rápidos transitorios, que dependen de la configuración de la red y de otras circunstancias que obligan a considerarlos aleatorios.
Se presentan por interrupciones de carga reactiva, de líneas de transformadores, por fallas, durante el cierre y el recierre, etc.
El valor de estas sobretensiones aumenta por la carga residual de las líneas, o por reencendidos durante las interrupciones.
Sobretensiones atmosféricas se presentan particularmente en redes expuestas, ante fallas del blindaje dado por el hilo de guardia y la sobretensión puede provenir de una línea o producirse en la estación, que son las partes de la red eléctrica expuestas a la atmósfera.
La descarga en la estación es poco probable, por la superficie relativamente reducida, en comparación a la línea, es decir que es más probable que las sobretensiones lleguen desde las líneas.
La descarga puede ser directa pero un buen blindaje garantiza contra este efecto. También puede producirse contorneo inverso de la cadena de aisladores. Esta situación es muy poco probable que se presente en la estación por la baja resistencia de puesta a tierra de la misma, pero es probable en la línea (porque la resistencia de tierra de los soportes es elevada), y de esta manera se originan las sobretensiones atmosféricas que penetran a la estación.
Las líneas de media tensión se realizan sin cables de guarda, este no es de utilidad debido a los aisladores que presentan baja aislación, respecto de las tensiones correspondientes a descargas atmosféricas, y toda descarga es acompañada por contorneo de los aisladores.
Las sobretensiones atmosféricas, conducidas por las líneas, sufren en la estación reflexiones múltiples que deben ser evaluadas a fin de comprobar que los valores alcanzados se mantienen bajo control.
Mientras que las sobretensiones atmosféricas afectan una sola fase, o afectan a todas las fases en forma similar, las sobretensiones de maniobra afectan a dos o las tres fases simultáneamente; es entonces importante el estudio de su efecto sobre la aislación fase-fase.
Cada punto del sistema eléctrico se caracteriza por distintos valores de sobretensiones de los distintos tipos, modernamente estos valores se definen en forma estadística.
Las sobretensiones temporarias en cambio no pueden ser drenadas por su excesiva duración.
Los valores que deben soportar las aislaciones se eligen entre ciertos valores normales coordinados y propuestos por las normas IEC y que se observan en la figura 61 destacados por un punto que muestra la coordinación posible entre tensiones máxima (y normal), sobretensiones de maniobra y sobretensiones atmosféricas.
Características de las sobretensiones atmosféricas
La observación ha demostrado que la corriente debida a los rayos presenta en cada caso características distintas. El único elemento común a todos los rayos es la forma de la corriente: no es oscilatoria, es unidireccional es decir de una única polaridad.
El comportamiento típico de la corriente de un rayo se indica en la figura 62.
En la onda de corriente se pueden distinguir:
- El frente, lapso que va desde el inicio de la onda a su valor de pico
- La cola, parte que sigue al frente.
En general las magnitudes características de la onda de corriente se encuentran dentro de los siguientes límites:
- duración del frente: 0.5 a 20 m s
- duración del hemivalor en la cola: 15 a 90 m s
- duración de la cola: 300 a 300000 m s
La amplitud de la corriente de descarga alcanza sólo en un pequeño porcentaje valores del orden de 100 a 150 kA, en el 80% de los casos la corriente de descarga es inferior a 40 kA.
La onda de corriente está relacionada con la onda de tensión a través de la impedancia que ven en su avance.
Propagación de las sobretensiones atmosféricas
En el caso de líneas aéreas la velocidad de propagación alcanza valores alrededor de 300 m/m s, es decir prácticamente la velocidad de la luz, mientras que la impedancia característica (donde l y c son la inductancia y la capacidad por unidad de longitud) es un valor bastante constante alrededor de 400 a 600 W .
En el caso de cables la velocidad de propagación resulta de 150 a 160 m/m s y la impedancia característica alcanza valores más bajos, entre 30 a 50 W.
El comportamiento del fenómeno se puede sintetizar en dos casos que dependen de lo que se produce en el momento en que la sobretensión alcanza la primera cadena de aisladores:
- Si la amplitud de la sobretensión es menor de la que provocaría un arco eléctrico en la cadena de aisladores, la onda se propaga a lo largo de la línea manteniendo su forma y termina alcanzando los aparatos que se encuentran en la extremidad de la línea figura 63a.
- Si la sobretensión alcanza una amplitud tal de provocar el arco en la cadena de aisladores, la corriente del rayo se descarga hacia tierra y la onda de tensión se trunca. Esta onda truncada se propaga alcanzando los aparatos ubicados en la extremidad de la línea figura 63b.
Los dos tipos de fenómenos considerados permiten individualizar dos formas típicas de sobretensiones de origen atmosférico que tienen características como se indica en la figura 64a-b onda plena y cortada respectivamente.
Estas sobretensiones pueden solicitar peligrosamente los aislantes de las máquinas (transformadores en particular) y de los aparatos con consecuencias a veces graves.
Un dato básico para el diseño de una línea de media y alta tensión frente a este tipo se sobretensiones, es la frecuencia de caída de rayos por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Esta frecuencia se expresa en número de rayos por km² y por año, en la figura 64c se muestran las densidades ceraúnicas para las distintas zonas.
Este valor es función del nivel isoceráunico de la zona, que es el valor medio de los días de tormenta al año en dicha zona, en la figura 64d se muestras estas curvas de niveles. Los niveles y densidades ceraúnicas continentales de la República Argentina se obtienen del Anexo B de la Norma IRAM 2184-1-1.
Deformación de las ondas por causa de bobinas y capacitores
Una sobretensión que viaja hacia el extremo de una línea abierta se refleja, duplicando su valor, y retorna superponiéndose a la onda incidente.
Si en el extremo de la línea hay un capacitor la onda reflejada tiene un frente suavizado (crece exponencialmente) por el fenómeno de carga del capacitor figura 65.
Una línea con intercalada una reactancia, o dos líneas de distintas impedancias separadas por una reactancia, esta ultima produce la modificación de la onda que se propaga, en parte reflexión de la onda con frente abrupto, y en cambio la onda que prosigue es con frente suave.
En el pasado se ponían bobinas con el objeto de proteger de sobretensiones viajeras los equipos ubicados a continuación, obsérvese que en cambio la línea es exigida con la onda reflejada de valor elevado.
Otra posibilidad es la existencia de un capacitor en un punto de la línea, la onda que continua se suaviza, y la reflejada también figura 66.
La explicación de estos fenómenos requiere la resolución de las ecuaciones de propagación en líneas, por el momento es suficiente saber que estos estudios no son inmediatos ni simples.
Características de los aislamientos
Los aislamientos, de una forma general, abarcan las distancias en aire, los aislamientos sólidos y los inmersos en líquido aislante. De acuerdo con la finalidad a que se destinan, se los clasifica como aptos para uso externo o uso interno, conforme se los utilice en instalaciones sujetas a agentes externos, tales como humedad, polución, intemperie, etc., o no respectivamente.
Además de esa clasificación, de orden general existe otra de mayor importancia, desde el punto de vista del aislamiento, que es aquella que diferencia los aislamientos entre autoregenerativos y no regenerativos.
Los aislamientos autoregenerativos son aquellos que tienen capacidad de recuperación de su rigidez dieléctrica, después de ocurrida una descarga (ruptura dieléctrica) causada por la aplicación de una sobretensión.
En una subestación, los aislamientos autoregenerativos de los componentes pueden ser clasificados en dos grupos, dependiendo del tipo de utilización. El primer grupo es el de los aislamientos de los equipamientos, tales como: parte externa de los aisladores de los transformadores de potencia, reactores y transformadores de medición y parte externa de los equipamientos de maniobra y de medición (interruptores, seccionadores y divisores capacitivos de tensión). Las partes internas de esos equipamientos, son de tipo no regenerativo y, por lo tanto, los equipamientos citados anteriormente poseen ambos tipos de aislamientos.
El segundo grupo de aislamientos es el que se refiere, solamente, a instalaciones propiamente dichas. En este grupo están incluidos los aislamientos en aire, correspondientes a la distancia conductor-estructura, barras-estructura, parte con tensión del equipamiento-estructura y conductor- conductor, los soportes aisladores, las cadenas de aisladores y las columnas aislantes de las bobinas de bloqueo. Todos estos son regenerativos.
Los aislamientos no regenerativos son aquellos que no tienen capacidad de recuperación de su rigidez dieléctrica, después de la ocurrencia de una descarga causada por la aplicación de una sobretensión. Habiendo la descarga dañado parcial o totalmente el aislamiento no regenerativo. Los elementos más importantes de una subestación están constituidos por este tipo de aislamiento, principalmente en su parte interna, como los transformadores de potencia y los reactores.
Principios básicos de coordinación del aislamiento
Se denomina coordinación del aislamiento al conjunto de procedimientos, utilizados principalmente para la especificación de los equipamientos, que tiene por objetivo fundamental la reducción, a nivel económico y operacional aceptable, de la probabilidad de fallas en los equipamientos y falta de suministro de energía, teniendo en cuenta las solicitaciones que pueden ocurrir en el sistema y las características de los dispositivos de protección.
Para efectuar la coordinación del aislamiento se actúa en dos direcciones:
- 1. Las máquinas y los aparatos se construyen de manera que sean capaces de soportar sin daños las solicitaciones provocadas por las sobretensiones de tipo atmosférico o de origen interno (maniobra) contenidas dentro de ciertos niveles.
- 2. Con oportunos aparatos de protección (descargadores) y adoptando particulares criterios de construcción de las instalaciones, se trata de contener las sobretensiones dentro de los niveles tolerables para las máquinas y los equipos.
Las solicitaciones eléctricas se caracterizan por una magnitud y una duración y están, normalmente, asociadas a una probabilidad de ocurrencia.
Coordinación de la aislación (relación entre valores)
Con este nombre se trata la selección de la capacidad de soportar las distintas solicitaciones dieléctricas que deben tener materiales, equipos e instalación en función de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerando también las características de los dispositivos de protección disponibles.
El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensión máxima que se presenta en un punto de la red y elegir, con carácter ampliamente empírico, una tensión de ensayo que presente un margen de seguridad conveniente.
En muchos casos la elección del nivel de aislación es hecha simplemente en base a experiencia adquirida en redes análogas.
Una forma más elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar el carácter de fenómeno aleatorio que tienen las sobretensiones.
Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economía y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones que causen daños al equipo o afecten la continuidad del servicio.
No es económico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales.
Se admite que aún en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio económico basado en costo y continuidad del servicio.
La coordinación de la aislación está esencialmente basada en limitar el riesgo de falla, en lugar de fijar a priori un margen de seguridad.
Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 % de seguridad contra fallas.
La aislación puede ser externa, en aire atmosférico o de superficies en contacto con la atmósfera sometidas a la influencia de condiciones atmosféricas, polución, humedad, etc., interna, sólida, líquida o gaseosa, protegida de la influencia atmosférica.
La aislación externa puede ser para interior, protegida de la intemperie, o para exterior.
Se dice que una aislación tiene capacidad de regeneración cuando después de una descarga disruptiva recupera íntegramente sus características aislantes.
La capacidad de regeneración distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas, de las sólidas, una perforación del dieléctrico, para estas últimas, es un daño permanente, en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada, y transcurrido cierto tiempo, generalmente breve, no afecta las características de la aislación.
En consecuencia, mientras que las aislaciones en aire pueden fallar, las aislaciones sólidas no deben fallar; en otras palabras, los puntos débiles de la instalación deben tener capacidad de regeneración.
Las características de aislación de un aparato están ligadas a:
- La tensión nominal de la red, valor eficaz de la tensión entre fases a la que se refieren algunas características de funcionamiento de la misma.
- Tensión más elevada de la red, que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotación normales. Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones).
El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensión más elevada sea mayor o igual a la tensión más elevada de la red en la cual se utilizará el material.
Mientras que por encima de los 100 kV la tensión más elevada de la red coincide con la del material utilizado, por debajo de dicha tensión estos valores pueden ser distintos, lógicamente la tensión más elevada de la red debe ser igual o menor de la del material.
Veamos algún ejemplo:
- La red de 132 kV, tiene una tensión máxima de servicio de 145 kV, por lo tanto los equipos que se utilizan en ella tienen tensión nominal 145 kV, no habiendo objeción en utilizar equipos de mayor tensión (170 kV) pero que cuestan más.
- En media tensión la industria produce equipos de tensiones nominales de 12 kV, y 17.5 kV según el origen (país) de los equipos. Nuestras redes de media tensión son de tensión nominal 13.2 kV, y con tensión máxima de servicio de 14.5 kV y por lo tanto sólo admiten el uso de equipos de 17.5 kV (o de 24 kV) pero no de 12 kV.
Se dice que el material es sometido a una sobretensión cuando la tensión en función del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra, y entre fases que corresponden a la tensión más elevada del material.
Las sobretensiones son siempre fenómenos transitorios.
Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto, con sistemas de tensión superior, fallas intermitentes, conexiones en autotransformador, condiciones de ferroresonancia.
Las únicas sobretensiones que se presentan son entonces:
- Tensión a frecuencia industrial en condiciones normales.
- Sobretensiones temporarias.
- Sobretensiones de maniobra.
- Sobretensiones atmosféricas.
Para las aislaciones sujetas a contaminación o envejecimiento, debe considerarse que el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida varía.
Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento.
Fenómenos particulares
Una onda viajera mantiene prácticamente las mismas características (forma) en cualquier punto de la línea, y también en función del tiempo, hasta que no se verifique una discontinuidad en los parámetros de la línea misma.
Es necesario examinar que ocurre cuando las ondas viajeras de tensión y corriente alcanzan estos puntos singulares.
En cada instante se cumple la relación 
siendo Z la impedancia característica de la línea.
En los puntos de discontinuidad se verifican entonces fenómenos de reflexión y refracción: el primero de estos fenómenos admite que parte de la onda incidente sea rechazada hacia el punto de origen, mientras que el fenómeno de refracción se refiere a aquella parte de la onda que prosigue su camino en el sentido en que se originó.
El caso de una línea aérea conectada a un cable es un ejemplo de un punto singular, debido a que en ese punto se tiene un cambio en el valor de la impedancia característica.
Fenómenos de resonancia
En la mayor parte de los casos los fenómenos de resonancia se presentan a continuación de fallas, y en particular con la interrupción de los conductores.
Un caso frecuente que puede verificarse en las instalaciones se muestra en la figura 67 donde se considera una línea de transmisión que alimenta un transformador en vacío, en la cual se tiene la interrupción de un conductor.
Las capacidades C1 y C2 representan la capacidad a tierra de los tramos de conductor interrumpido, se desprecia la capacidad existente entre el conductor interrumpido y el sano y entre éste último y tierra.
Estas simplificaciones son lícitas para un examen cualitativo de los fenómenos que consideramos.
Considerando en R todas las resistencias del circuito y de los elementos disipativos en él contenidos, se tiene la siguiente ecuación:
las condiciones de resonancia se presentan cuando:
Los efectos que los fenómenos de resonancia pueden provocar se deben estudiar considerando la sobretensión entre bornes del transformador y entre los conductores de la línea, que pueden dar lugar a arcos externos, o peor, perforación de los aislantes líquidos o sólidos en el transformador.
Fenómenos de ferroresonancia
Fenómenos más complejos que los anteriormente descriptos se pueden presentar por la presencia de circuitos magnéticos saturables.
Para ver este fenómeno supongamos un generador de tensión alterna que alimenta un capacitor C en serie con una inductancia L con núcleo de hierro, se consideran despreciables la resistencia óhmica del circuito y los fenómenos disipativos del núcleo magnético y del capacitor.
Para cada condición de funcionamiento (valor de la corriente) la tensión de alimentación debe ser igual a la suma de las tensiones en bornes del capacitor y de la inductancia:
La tensión en bornes de la inductancia no es proporcional a la corriente, es una función de ésta según la característica de magnetización
La tensión en bornes del capacitor es en cambio proporcional a la corriente y la pendiente de esta característica es función de la capacidad (a un aumento de capacidad corresponde a una disminución de la pendiente).
Se puede obtener la siguiente relación:
y de esta expresión mediante un método gráfico determinar la solución del problema.
La recta que representa la tensión en bornes del capacitor cruza la característica de la inductancia en dos puntos que corresponden a dos condiciones estables de funcionamiento (P y P´). De estos dos puntos el de funcionamiento normal es P que se encuentra en el primer cuadrante figura 68.
Si el punto P se encuentra próximo al codo de la característica de la inductancia, por efecto de un brusco aumento de la tensión de alimentación (D V), o por una brusca disminución de la capacidad del circuito (cambio de la pendiente), puede ocurrir que este punto se desplace de modo que las dos características no se cruzan más en el primer cuadrante, sino sólo en el punto P´ del tercer cuadrante.
En este caso la corriente del circuito cambia su fase desplazándose en adelanto de un cuarto de período (prevalece el efecto capacitivo).
Para este punto corresponden valores muy elevados de tensión tanto en el capacitor como en la inductancia y son estas las condiciones que en los casos prácticos son particularmente peligrosas.
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