Cómo evitar la Ferroresonancia en las redes eléctricas

La ferroresonancia es un fenómeno oscilatorio estacionario no lineal, que se presenta en un sistema eléctrico AC debido a la interacción entre un condensador y una inductancia con núcleo ferromagnético saturable.

La ferrorresonancia se manifiesta por los siguientes síntomas:

• Sobretensiones permanentes elevadas de modo diferencial (entre fases) o de modo común (entre  fases y tierra),
• Sobreintensidades permanentes elevadas,
• Grandes distorsiones permanentes de las formas de onda de tensión y corriente,
• Desplazamiento de la tensión del punto neutro,
• Calentamiento de los transformadores (en funcionamiento sin carga),
• Ruido permanente y excesivamente fuerte dentro de los transformadores y reactancias,
• Destrucción de materiales eléctricos (condensadores, TT, TCT, …) por efectos térmicos o por roturas dieléctricas.
• Disparo de protecciones que puede parecer intempestivo.

Configuraciones de redes eléctricas que pueden quedar afectadas por la ferrorresonancia

• Conexiones largas y/o capacitivas que alimentan un transformador,
• Protección con fusibles cuya fusión produce un corte no omnipolar,
• Transformador de potencia o de tensión en vacío o poco cargado.
• Transformador de tensión alimentado por la capacidad de un (o de varios) interruptor(es) automático(s) abierto(s)
• Transformadores de tensión (TT) conectados a una red con neutro aislado
• Transformador alimentado accidentalmente sobre una o dos fases
• Transformador de tensión y transformadores AT/MT con neutro aislado
• Red con neutro inductivo

Fenómenos más frecuentemente que pueden provocar la ferrorresonancia son:

• Maniobra de condensadores y de líneas sin carga,
• Defectos de aislamiento,
• Tormentas
• Maniobra de transformadores sin carga.

Ferrorresonancia en transformadores de tensión (TT)

Si consideramos un transformador con neutro aislado o puesto a tierra a través de una impedancia muy elevada con transformadores de medida entre cada fase y tierra instalados para permitir controlar el potencial de cada fase, se puede decir que cada uno de estos transformadores son inductancias con núcleo saturable. Por otro lado, cada línea de la red presenta, con relación a tierra, una cierta capacidad.

Se observa, por ello, que pueda aparecer entre cada fase y tierra un circuito paralelo inductivo-capacitivo susceptible de dar lugar a una ferroresonancia.

En los circuitos de MT con el neutro aislado o conectado a tierra por medio de una impedancia de valor elevado, si se produce un cortocircuito a tierra en una de las fases, la tensión respecto a tierra de las otras dos fases, aumenta pudiendo llegar a ser de valor próximo al de la tensión entre fases es decir 1,73 Vo (Vo tensión simple fase-neutro).

Si en el circuito hay transformadores de tensión (TT) conectados entre fase y tierra, pueden producirse por esta causa (cortocircuito a tierra) unas importantes sobretensiones en dichos TT, debidos a un fenómeno de resonancia entre la inductancia L del TT y la capacidad C respecto a tierra. Dichas inductancia L y capacidad C están en paralelo. Este sería el fenómeno denominado "ferrorresonancia" y puede provocar graves averías en los TT’s.

Para evitarlo es usual la siguiente solución, posible cuando hay tres TT con los segundos secundarios ("arrollamientos de tensión residual") conectados entre sí formando un triángulo abierto:

Se conecta una resistencia óhmica R entre los bornes de dicho triángulo abierto. En situación normal (sin defecto a tierra) no hay tensión entre los bornes del triángulo abierto y por tanto no circula corriente por la resistencia. Ahora bien en caso de defecto a tierra de una de las fases, aparece una tensión entre los bornes del triángulo abierto y la consiguiente corriente por la resistencia. Esta corriente produce un efecto amortiguador de la ferrorresonancia. El valor de esta resistencia R, por ejemplo, en el caso de TT’s de potencia 150 VA y arrollamiento de tensión residual = 100/3 V,  sería:  R = 3 raiz 3 (100/3)^2 /150 = 38,5 ohmios y su potencia de: (3x100/3)^2 / 38,5 = 26 W.

Un síntoma característico de la destrucción de los TT por ferrorresonancia es que el arrollamiento primario estaría completamente destruido y el secundario intacto,

Transformador de tensión destruido por ferroresonancia

Ferroresonancia en Transformadores de potencia

Un transformador está constituido por conductores bobinados alrededor de un núcleo magnético. Su conjunto está formado por resistencias (la de los conductores), reactancias (las bobinas) y capacidades (entre espiras, entre arrollamientos y entre estos y masa).

En baja frecuencia es fácil calcular un valor global de este conjunto de impedancias donde las capacidades suelen tener un valor muy reducido. Sin embargo, en frecuencias elevadas no sucede lo mismo.

Los efectos capacitivos suelen ser importantes y por tanto, se hace necesario descomponer el transformador en un cierto número de circuitos elementales compuestos cada uno de resistencia, inductancia y capacidad.

El conjunto puede ser considerado como un ensamblaje complejo de circuitos resonantes en paralelo. La impedancia global de un sistema así es una función compleja (Ver post: "Consideraciones sobre el fenómeno de ferroresonancia en Transformadores" en el siguiente link: 
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/05/consideraciones-sobre-el-fenomeno-de.html

En una parte elemental de este complejo circuito, puede verse incrementada su impedancia hasta el infinito para una determinada frecuencia, los otros elementos conservan sus valores de impedancia más bajos, el resultado es que la tensión no se reparte uniformemente a lo largo del bobinado sino que se concentra casi en su totalidad en la parte en resonancia.

Una tensión elevada puede aparecer exclusivamente entre dos conductores muy próximos y ser superior a la tensión de ruptura entre estos dos conductores. La repartición de la tensión debida a una corriente armónica puede no ser lineal a lo largo de una bobina y concentrarse en un punto superando, igualmente su tensión de ruptura.

La puesta en tensión de un transformador en vacío puede ser el fenómeno transitorio que provoque la ferroresonancia. En efecto, según el instante de conexión puede registrarse una fuerte asimetría de corriente magnetizante. La onda de corriente presentará puntas muy importantes en un sentido y nulas en sentido inverso así como un descenso exponencial de la componente continua. La amplitud de la corriente es aproximadamente 100 veces la corriente nominal. Estas puntas de corriente de una determinada polaridad, corresponden a un estado de saturación importante del circuito magnético del transformador. La componente continua de la corriente cargaría las capacidades de la red, provocando la aparición de una tensión entre el punto neutro y tierra permitiendo su oscilación y entrar en régimen de

ferroresonancia.

Cómo evitar o limitar la ferroresonancia

La probabilidad de que aparezcan estas sobretensiones de ferroresonancia es una función de la longitud de los cables, la capacidad fase-tierra del circuito varia con esta longitud. Para que la ferroresonancia se produzca, es necesaria la intersección de las características de las capacidades e inductancias. Si el cable es muy corto, estas características no llegan a cortarse no existiendo por tanto, riesgo de ferroresonancia, por ejemplo, al disponer los disyuntores lo más cerca posible, aguas arriba, de los transformadores.

Puede amortiguarse este fenómeno utilizando una adecuada resistencia en el neutro, o bien, en lugar de conectar el transformador en vacío, mantener una pequeña carga en su secundario (5 al 10% de la carga nominal). Esta carga, en general activa, trasladada al primario, se comporta como una resistencia, suprimiendo de esta forma, el riesgo de ferroresonancia.

los parámetros que influyen directamente en la aparición de la ferrorresonancia son la reactancia de magnetización de los transformadores y la reactancia capacitiva de los cables de alimentación. La resistencia, por otro lado, es un parámetro que puede atenuar el fenómeno, mas no eliminarlo. Las opciones en tales casos serían:

-    Disponer de puesta a tierra directa el neutro del transformador, lo que  asegura que la corriente no circule por la capacitancia de las líneas abiertas y evitar de esta forma la aparición de trayectorias LC-serie no lineales, sin embargo, en muchas ocasiones este método no es aconsejable.

-     Introducir una  resistencia en la puesta a tierra del transformador de forma que la intensidad de paso en esta resistencia sea mayor o igual al doble de la intensidad de fuga capacitiva total de los cables de la red,

-     Introducir resistencias al sistema con el objeto de atenuar los efectos de este fenómeno.

Se desaconseja, por tanto, las puestas a neutro con reactancias inductivas elevadas.

Otras veces la mejor solución para prevenir la ferrorresonancia es la adición de una tierra temporal en el punto estrella del banco de transformadores durante las maniobras (a través de un interruptor que está, en condiciones de servicio, normalmente abierto). Esto conectaría el neutro a tierra, eliminando la condición de neutro flotante que causa los sobretensiones cuando las líneas están abiertas en un punto de la red.

Otra de las medidas para evitar sobretensiones por ferrorresonancia, es la de asegurar que la reactancia capacitiva sea mucho mayor que la reactancia inductiva; esto se logra, por ejemplo,  limitando la longitud de los cables entre el interruptor y el transformador,

En el momento de ocurrir el fenómeno de ferroresonancia, el cable es uno de los elementos  más afectados, debido a que el circuito LC serie es predominantemente capacitivo, lo cual provoca un aumento significativo del campo eléctrico en el cable de potencia, sobretodo en sus extremos  debido a que la dirección del campo eléctrico en estos puntos se distorsiona y busca la ruta más cercana hacia la pantalla. Este aumento en el potencial provoca que los esfuerzos, en los extremos del cable sean mucho mayores y originen el desgaste del aislamiento hasta perforarlo.

La solución a este problema, es hacer una adecuada terminación en los extremos del cable con material de constante dieléctrica similar al aislamiento primario, con lo cual se logra que el campo eléctrico se mantenga relativamente constante en estos puntos y disminuyan los gradientes de potencial.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Philippe FERRACCI,  La Ferroresonancia, Cuaderno técnico 190, Schneider Electric.

Salvador, A.  Análisis de Ferrorresonancia en transformadores eléctricos.

Hopkinson, Ralph. Ferroresonant Overvoltage

“An analytical approach to ferroresonance", Glenn W. Swift, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,

González, F.J. y Gudiel, M. F. Análisis de ferroresonancia en transformadores de distribución  alimentados con instalaciones subterráneas