jueves, 2 de julio de 2015

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   

25 comentarios:

  1. Estoy muy agradecido, con ustedes y con el amigo que me recomendó este blog.
    Excelente información, expuesta de una forma clara y concisa.
    Que buen blog ha creado, mis respetos y gratitud

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  2. En las redes de distribución con sistema neutro aislado es frecuente este fenomeno de ferroresoncia cuando:
    1. La barra alimenta a dos o tres alimentadores en donde la capacitancia es baja.
    2. Se realiza desconexiones monopolares con reducción carga importante.

    Por lo cual es necesario conectar a los bornes de transformador de tensión conectado en delta abierto la resistencia de aislamento para amortiguar la tensión homopolar.

    La desconexión carga influye directamente en la aparación de la ferrofesonancia en sistemas pequeños de dos a tres alimentadoresplr barra7

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  3. Federico Castiella26 de junio de 2017, 2:12

    Federico Castiella Hola como estas?lei la publicacion y me parece muy buena, creo que algunos problemas que se nombran ocurren en donde trabajo, pensaba en algo similar pero podrian ser otros casos, sobre todo relacionado al neutro y tierra. Voy a indagar mas, y te agradezco la informacion. Saludos.

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  4. Siempre la información compartida demuestra su experiencia y pasión por este trabajo en la sombre. Gracias, como cada formación!

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  5. Permiteme una observación, en el esquema de conexionado de los secundarios de los trafos de tension en triángulo abierto hay un error ya que sólo debería encontrarse conectado a tierra un extremo de dicho triángulo abierto y lo están los 3 devanado si por lo que en la práctica es un cortocircuito entre fases. Saludos

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  6. Los felicito por estas conclusiones de la ferro-resonancia eléctrica de cómo se manifiesta, qué se afecta y lo mas frecuente que la produce. Excelente y gracias.

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  7. Muy buen aporte.
    si alguien podria ayudarme con una duda sobre este tema.
    que metodo de mitigacion se podria aplicar o en este caso añadir a un transformador de tension capacitivo CVT??? incluso si este ya viene desde fabrica con su circuito de supresion.
    en algunos papers lei que la adicion de un banco de resistencias en estrella en el secundario seria lo mas simple.
    Muchas Gracias
    Saludos

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  8. De cuanta distancia (kms) en términos generales se podrá considerar no conveniente y que aporte en el fenómeno de ferroresonancia en un circuito con conductor xlp-ra 1250 mcm?

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    1. Como se indica en el texto existen circuitos que por su constitución son más propensos que otros a provocar el fenómeno de ferroresonancia, en cambio otros que no lo parecen también se han visto afectados al producirse cambios en el régimen normal del servicio, como pueden ser: caídas de tensión en la red, maniobras, energización de transformadores, actuación de reguladores en carga, sobretensiones, etc.

      Solo es necesario para que aparezca la ferroresonancia que las magnitudes de la reactancia capacitiva Xc e inductiva XL de la red sean de valores similares, al tener signos opuestos, la impedancia total vista por la fuente se reduce, provocando corrientes elevadas que pueden ocasionar la desconexión del circuito o causar sobretensiones tanto en Xc como en XL.

      Por lo tanto, no es solo el valor de la capacidad del cable en sí el que entra en juego, se han visto afectadas por ferroresonancia redes con cables de 30 m, 250 mm2 con capacidad homopolar de 7 nF con la inductancia de magnetización de un transformador de tensión, en cambio líneas de varios km no han sufrido los efectos debido a que sus magnitudes Xc y XL están muy lejos de asimilarse, son características que se tienen en cuenta ya desde el proyecto de las redes, sin embargo las soluciones para evitar la ferroresonancia son sencillas y se explican en el texto.

      Saludos

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  9. Buen día, podrían ayudar con cierta inquietud, en una subestación de 46kV con dos circuitos de distribución, y que tiene mas de 10 años en operación no había tenido fenómeno de ferroresonancia, hasta el presente año han ocurrido tres eventos a causa del fenómeno, los TT cuentan con su respectiva resistencia de amortiguamiento y calculada según su capacidad, de momento no hemos verificado los TT. serian tan amables de opinar al respecto, porque años atrás no se había presentado el fenómeno? y que es lo que podría estar pasando?, aguas abajo no sabemos si han existido cambios? saludos y gracias de antemano.

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    1. La presencia del fenómeno de ferroresonancia en una instalación eléctrica es imprevisible, la instalación puede estar funcionando normalmente durante muchos años y no aparecer, en cambio puede aparecer al hacer una maniobra en una determinada parte de la instalación, en tal caso, se ponen (o quitan) en el circuito eléctrico ciertas inductancias y capacidades que tienden a igualarse y hacer posible la ferroresonancia.

      Algo tan simple como una maniobra en un interruptor puede acarrear este tipo de fenómenos, todo depende de la configuración de la red, que con dicha maniobra hayamos introducido.

      Saludos

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    2. De aquí la importancia de la ingeniería de diseño de redes de cada tramo de la instalación así como, en caso de ampliaciones de la misma.

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    3. Que tal! Estoy en observación con un caso similar, específicamente en una subestación 230kV. Al igual que tu caso este fenómeno se presentó después de más de 20 años, el equipo fue fabricado en 1984 fabricante ASEA, es un CVT transformador de voltaje capacitivo. Si estas dispuesto podemos compartir y discutir ideas, escríbeme al correo jdavid.cg22@gmail.com.

      Saludos

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    4. Estos casos requieren de un estudio pormenorizado del sistema donde se ha producido el evento tras un minucioso análisis de las posibles maniobras realizadas en la instalación antes y/o durante el fallo (incluyendo maniobras de los reguladores en carga de los transformadores, caídas de tensión en la red, arranque de motores importantes, tormentas, posibles ampliaciones en la instalación así como el histórico de averías, etc, etc... no es un caso para comentar ni discutir ideas porque seria una perdida de tiempo, tienen y deben de existir estudios de ingeniería de redes expresamente realizados en cada tramo de la instalación donde se realicen maniobras para verificar la posibilidad o no de producirse este tipo de fenómenos.

      Esto debe ser así desde que la instalación se diseño y posteriormente en cada ampliación.

      Saludos

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  10. Saludos Andrés!
    Y si te doy toda la razón al decir que debe haber un estudio pormenorizado pre y post aparición del fenómeno, así como analizar las ampliaciones y/o modificaciones que se pudieron hacer. Sin embargo, desde mi estudio se constató que no hubo ninguna falla de diseño previa y posterior a su puesta en servicio,es un problema aislado del equipo y sus equipos asociados de medición (devanado secundario).

    La problemática en sí es que presenta un transitorio resonante en su secundario, que cuando se efectúa una maniobra de interruptor para mtto o cuando actua por alguna falla externa este transitorio aparece y posteriormente para reestablecer el servicio el syncronoscopio no puede detectar una igualdad de condiciones para realizar un reconectado exitoso, ya que por este fenómeno se presenta sobretension y una señal de onda de voltaje algo distorsionada.
    Por el momento asumo que esto se presentó después de haber migrado de relés electromecánicos a relés numéricos o digitales. Lo único que puedo mencionar y poner en tela de juicio es que al ser un transformador de hace más de 20 años y además puesto en servicio desde ese tiempo, los valores son muy altos caso potencia de precisión de 150 VA por devanado, como veras es un equipo muy robusto para los equipos actualmente conectados. Como sabemos, los relés digitales consumen en su mayoría entre 0.1 a 0.3 VA sin mencionar equipos como transductores y/o transformadores de aislamiento que están conectados también en el secundario.

    Lo único que se me ocurrió hasta ahora era replicar la impedancia equivalente que representaban los relés electromecánicos y los demás equipos antes de la aparición de este fenómeno, es decir tratar de compensar la impedancia ya existente (relés+transductores+transformador de aislamiento+etc) con alguna carga resistiva, o en todo caso obtener de la norma IEC algún porcentaje o valor en específico de el o los parámetros para garantizar por lo menos la operación normal del equipo, y con esto me refiero a la potencia mínima que debe suministrar el transformador para operar de manera normal. Tengo entendido y espero no equivocarme, que en la norma IEC específicamente 60444-5 o la actual especifica estos parámetros, lamentablemente no puedo acceder a este documento por falta de recursos; de ahí la intención de discutir y compartir ideas y tal vez buscar alguna solución adicional.
    Y bueno si tu tuvieras algún dato seria de mucha ayuda.

    Saludos

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  11. Saludos Juan David,

    Como supongo que sabrás, una de las condiciones en las que se puede presentar este fenómeno es el haber sustituido los relés electromagnéticos por digitales, estos últimos requieren muy poca potencia para normal funcionamiento, lo que implica que los TT's pueden en este caso estar muy poco cargados, siendo esta una condición de peligro de ferroresonancia.

    Te remito a leer un artículo sobre este tema en esta dirección:

    https://download.schneider-electric.com/files?p_enDocType=Cahier+Technique&p_File_Name=CT190.pdf&p_Doc_Ref=CT-190-Z002

    saludos

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  12. Gracias por la referencia.
    En el artículo sugiere soluciones en su mayoría para TT's inductivos, tal como la adición de carga resistiva, modificación de sistema de aterramiento, etc. Sin embargo, mi caso se centra en TT's capacitivos. Mi pregunta es la siguiente, espero y agradecería puedas darme alguna referencia sobre la misma...

    Ya que los relés digitales requieren o consumen muy baja potencia burden, y al ver que el TT es demasiado robusto para lo mismo (150 VA) es obvio que la relación consumo vs la capacidad de suministro del equipo es demasiado alta. Por lo que se necesitaría llegar a un nivel mínimo de carga que debería ser instalada para que el TT no tenga problemas con la aparición de transitorios y algún comportamiento anormal del mismo.
    En el cuaderno técnico que sugieres, existe un apartado donde aplica la adición de una carga resistiva, esto mediante fórmula además de considerar el rango de 25-100% de cargabilidad para el transformador en cuestión.
    Este método aplica para un TT capacitivo? O existe algún método o parámetro de referencia bajo alguna norma, con el cual se pueda calcular esta resistencia? Esto para llegar a un porcentaje de cargabilidad donde el transformador trabaje de manera normal.

    Saludos

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    1. Sr. Juan David,

      Para mi este tema ya se cerro en mi primer comentario donde le indique que se requiere de un estudio pormenorizado del sistema donde se ha producido el evento para evitar así toda especulación.

      Hay ingenierías que se dedican a estos menesteres específicos.

      NOTA:

      Los Transformadores capacitivos de tensión no son más que divisores capacitivos de tensión que en su terminal de más baja tensión lleva acoplado un transformador inductivo de tensión que hace las mismas funciones que los Transformadores inductivos de tensión TIT propiamente dichos.

      Dependiendo de la marca en la salida de dicho transformador inductivo llevan conectadas unas resistencias de ferroresonancia en el propio TCT.

      Saludos

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  13. Muy buen post , me podrias decir la diferencia para prevenir la ferroresonancia en Media tension y alta tension ?

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    1. En MT o AT los procedimientos para limitar la ferroresonancia son los mismos que los descritos en este post.

      Saludos

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