Sobretensiones de maniobra

Durante las maniobras de conexión o desconexión de receptores, aparecen sobretensiones transitorias en la red. Estas sobretensiones son más peligrosas si la corriente cortada es inductiva o capacitiva. La amplitud, la frecuencia y la duración de amortiguamiento de este régimen transitorio dependen de las características de la red considerada y de las características mecánicas y dieléctricas de los aparatos de corte.

Principio del corte

El corte de una corriente eléctrica por un interruptor ideal consiste en un paso de la resistencia de este aparato de cero antes del corte a un valor infinito justo después del corte. El corte se produce en el momento del paso por cero natural de la corriente.

Este interruptor ideal es imposible de realizar, pero las técnicas de corte basadas en el comportamiento del arco eléctrico en diferentes medios dieléctricos permiten estar muy próximos a él.

■   Corte por interruptor

En el momento de la interrupción de una corriente, un arco eléctrico se establece entre los bornes del aparato de corte. El arco eléctrico conductor tiene tendencia a mantenerse por el fenómeno de ionización del dieléctrico provocado por la energía disipada en la resistencia del arco.

En las proximidades del cero natural de la corriente, la energía disipada disminuye pasando a ser inferior a la evacuación térmica en el medio, el arco se refrigera y su resistencia aumenta.

En el paso por el cero natural de la corriente, la resistencia del arco se convierte en infinita y el corte es efectivo.

Entre el principio y el fin del corte, la tensión entre los polos del aparato de corte pasa de cero a la tensión de la red. Este pasaje da lugar a un fenómeno transitorio a frecuencia elevada que se designa por tensión transitoria de restablecimiento (TTR) (ver fig. 1).

L, R      : Inductancia y resistencia equivalente a la red aguas arriba del interruptor

C          : Capacidad de la red aguas arriba.

Figura 1: Tensión transitoria de restablecimiento durante el corte de un interruptor

■   Corte por fusible

En un cortocircuito, la intensidad de la corriente que atraviesa el fusible es superior a su intensidad nominal de fusión.

El corte puede efectuarse en cualquier instante y no necesariamente en el paso por cero de la corriente.

La figura 2 representa un ejemplo de sobretensión que aparece en la red después de la fusión de un fusible.

Figura 2: Sobretensión transitoria en la fusión de un fusible

Maniobra de los receptores 

■  Conexión de receptores

□   Receptores inductivos

●  Circuito monofásico

Consideramos el esquema equivalente monofásico de la figura 3 con interruptor D ideal que presenta una resistencia de arco nula en el instante de la separación de los contactos, y que corta la corriente a su paso por el cero natural. Antes de la maniobra del interruptorr, entre los polos A y B, hay una caída de tensión debida a la corriente que circula por la carga L_S.

En el momento del corte, la tensión en B alcanza bruscamente la tensión en A, la capacidad C_S se carga a través de L_S. Los intercambios de energía entre C_S y L_S hacen aparecer oscilaciones de tensión y frecuencias de 5 a 10 kHz.

La tensión en C disminuye bruscamente a cero, la capacidad C_p se descarga sobre L. Los intercambios de energía entre C_p y L crean oscilaciones de tensión y frecuencias de 1 a 100 kHz.

L_S         : Inductancia de la red aguas arriba del interruptor

C_S         : Capacidad de la red aguas arriba del interruptor

L          : Inductancia de la carga

L_p         : Inductancia parasita

C_p         : Capacidad de la red aguas abajo del interruptor

D         : Interruptor

Figura 3: Corte en una red con carga inductiva

Los fenómenos observados se ilustran en las curvas de la figura 4.

t₀         : Separación de los contactos

t₁         : Cero de corriente

Figura 4: Secuencias de cortes de un aparato ideal

●   Circuito trifásico

En la maniobra de apertura del circuito trifásico de la figura 5, la primera fase  que ve un paso por cero de la corriente corta esa corriente. A continuación una corriente transitoria circula por las dos fases no cortadas. De esta forma, si la fase 1 corta en primer lugar se obtiene una tensión transitoria entre los puntos C₁, C₂ y tierra que puede alcanzar un valor de 2 V_n para un interruptor ideal. Para un interruptor real, el coeficiente de sobretensión es superior o igual a 2.

V_n ; Valor de cresta de la tensión nominal fase-neutro

Nota: El paso por cero de la corriente en la fase siguiente aparece después de 1/3 de periodo (7 ms a 50 Hz), mientras que el periodo de oscilación es del orden de 1 ms.

Figura 5: Esquema equivalente de un circuito trifásico durante el corte

●   Fenómeno de reencendido

En el momento del corte de un circuito, la tensión en los bornes del interruptor aumenta rápidamente (aproximadamente 0,1 a 0,5 kV/µs). Si los polos del interruptor se separan poco antes del paso por cero de corriente (para un circuito inductivo esto corresponde a un máximo de la tensión), la regeneración del medio dieléctrico puede no ser suficiente para mantener el esfuerzo de tensión. En efecto, en este caso la tensión es máxima y los polos están muy cercanos el uno del otro.

Se produce en tal caso una ruptura acompañada de sobretensión de amplitud de cresta a cresta de 2V_n. A este fenómeno se le denomina reencendido.

●  Reencendidos sucesivos

Si se considera el esquema monofásico de la figura 3, se observa que en el caso del reencendido, la tensión en el punto C se acerca casi instantáneamente a la tensión en el punto B.

La capacidad C_p se carga por una corriente de alta frecuencia (aproximadamente 1 MHz) circulando en el circuito L_p, CS, D y C_p.

Esta corriente de alta frecuencia tiene un paso por cero muy rápido (1 ms).

Si el interruptor alcanza a cortar en ese momento, el fenómeno de reencendido se repite porque la distancia entre los contactos del interruptor es todavía muy pequeña.

Es más, la amplitud de cresta de la oscilación en ese momento igual a 4V_n.

El aumento de la sobretensión posibilita la aparición de una segunda ruptura

En efecto, el  aumento de la resistencia dieléctrica por el aumento de la distancia entre los contactos del interruptor es inferior al aumento de la sobretensión.

Se presenta de esta forma un fenómeno de reencendidos sucesivos con sobretensiones de amplitud crecientes (ver fig. 6).

En teoría, tal fenómeno puede generar sobretensiones en que el valor de cresta sea igual al límite de la resistencia dieléctrica del aparato en posición de abierto, sin obtener el corte definitivo de la corriente. En la práctica, este caso es excepcional, y los tipos de interruptores sujetos a reencendidos sucesivos terminan generalmente por cortar, sin haber provocado sobretensiones se amplitudes muy elevadas.

Figura 6: Tensión V_C en caso de corte con reencendidos sucesivos

●   Corriente arrancada (pequeñas corrientes inductivas)

En el corte de pequeñas corrientes, netamente inferior a la corriente nominal del interruptor, el arco aparece ocupando un pequeño volumen. Esto es debido al estar sometido el arco a una refrigeración muy importante dada la capacidad del interruptorpara cortar corrientes muy superiores.

De esta forma, el arco se convierte en inestable y su tensión puede presentar variaciones relativas importantes, en el que su valor absoluto sea muy inferior a la tensión de la red (caso del SF6 o del vacío). Estas variaciones de tensión pueden generar en las capacidades cercanas (circuito C_S, L_p, C_p de la figura 3) corrientes oscilatorias de alta frecuencia donde la amplitud puede alcanzar el 10 % de la corriente a 50 Hz. La superposición de estas corrientes de alta frecuencia en corriente de 50 Hz. supone varios pasos por cero de la corriente en el interruptor en las proximidades del cero de la onda fundamental (ver fig. 7).

El interruptor corta en el primer paso por cero de la corriente, siempre que la corriente de carga (solamente en corriente de 50 HZ.) no sea nula. Al valor de esta corriente representada se le denomina corriente arrancada (Ia).

Figura 7: Superposición de una corriente oscilante de frecuencia elevada

con corriente a frecuencia industrial.

El corte se efectúa como en el caso de la figura 3 excepto para la amplitud cresta a cresta de las oscilaciones, por la presencia de la energía almacenada en

 que se incrementa con la de la capacidad 

Si  

representa la mitad del valor máximo de cresta a cresta de la oscilación en el punto C, se puede escribir:

 V_n : valor de cresta de la tensión nominal fase-neutro

Para un circuito trifásico, es necesario añadir V_n para tener en cuenta el régimen transitorio ligado al corte no simultáneo de las fases, de donde:

Este fenómeno es notablemente problemático en el caso de alimentación a un transformador de horno de arco.

En efecto, este es generalmente conectado a una distancia muy pequeña del juego de barras. De esta forma, el valor de C_p es muy pequeño mientras que el valor de V_{c max} es elevado.

Se determina V_{c max} tomando:

L          : Inductancia de fuga del transformador

C_p         : Capacidad del cable que conecta el interruptor al transformador

I_a          : Corriente de magnetización del transformador

En un estudio realizado en un transformador de horno de arco monofásico, con:

Se encuentra           

La instalación de un circuito R, C en paralelo con el interruptor ha reducido la sobretensión a 2 V_n.

●  Corriente arrancada virtual – corte simultáneo en las tres fases

Los transitorios generados por la primera fase que crea las sobretensiones pueden engendrar, por acoplamiento capacitivo entre fases, corrientes oscilantes en el interior de los circuitos L_p, C_p, C_S  de las otras fases.

Por lo tanto es posible obtener un cero de corriente en estas fases, inmediatamente (algunos cientos de microsegundos) después del corte de la primera fase.

Si el interruptor interrumpe tales corrientes, se crea un fenómeno de corriente arrancada con grandes valores de corriente y sobretensiones.

●   Corriente arrancada y reencendidos sucesivos

Los fenómenos de corriente arrancada y reencendidos sucesivos van frecuentemente ligados.

Las sobretensiones causadas por la corriente arrancada pueden por ellas mismas causar el reencendido. Estas son casi sistemáticas en el caso de corriente arrancada virtual.

Nota: La corriente arrancada es algunas veces llamada corriente rasgada.

□   Receptores capacitivos (ver fig. 8)

El corte de circuitos capacitivos, como baterías de condensadores o cables en vacío, pone menos dificultades que los circuitos inductivos.

En efecto, las capacidades quedan cargadas al valor de cresta de la onda de 50 Hz después de la extinción del arco en el cero de corriente, la reaparición de la tensión en los bornes de la aparamenta se efectúa según una onda de 50 Hz.

Sin embargo, un semi-periodo después del corte, el interruptor es sometido a una tensión igual a 2 veces la tensión de cresta a 50 Hz. (2 V_n).

Si la rapidez de la rigidez dieléctrica del interruptor no es suficiente para resistir este esfuerzo, puede producirse un reencendido. Este es seguido por una inversión de tensión en bornes de los condensadores, alcanzando una tensión máxima entre fase y neutro igual a 3 V_n (si no existe amortiguación).

Cuando la tensión del generador se invierte de nuevo, un semi-periodo más tarde, la diferencia de potencial en los bornes del aparato alcanza entonces 4V_n. Tal sobretensión puede evidentemente provocar un nuevo reencendido entre los contactos del aparato, y el mecanismo de oscilación anteriormente descrito se renueva con una amplitud aumentada, implicando una nueva elevación de la tensión fase-neutro de los condensadores (5 V_n).

Este efecto acumulativo de los reencendidos sucesivos es evidentemente muy peligroso para  la red y el aparellaje de la misma.

Esta escalada de sobretensiones puede ser evitada por la elección de un material adecuado, que no permita los reencendidos.

Figura 8: Escalada de tensión en la desconexión de un banco de condensadores  de la red por un                                                              aparato de maniobra lenta

■   Conexión de un receptor

□    Circuito inductivo

En el cierre de un interruptor, sobre un circuito inductivo (transformador en vacío, arranque de motores), hay un instante donde la rigidez dieléctrica entre contactos es inferior a la tensión aplicada.

Se produce una ruptura que provoca la anulación brusca de la tensión en los bornes del aparato.

Esta es acompañada de oscilaciones con las capacidades parasitas, que provocan la circulación de corrientes de alta frecuencia en el interruptor.

Según sea la rapidez del interruptor, se puede o no presentar pre-descargas disruptivas hasta que se cierran completamente los polos.

Las pre-descargas sucesivas van acompañadas de sobretensiones sucesivas que decrecen hasta el cierre completo del aparato.

El fenómeno es muy complejo e intervienen varios parámetros a saber:

-       Las características del aparato de corte

-       La impedancia característica de los enlaces

-       Las frecuencias propias del circuito de carga

Donde se precisa un modelo matemático de simulación para la predeterminación de los valores de las sobretensiones.

□  Circuito capacitivo (batería de condensadores)

En la conexión de una batería de condensadores por medio de un aparato de maniobra lenta, se produce un cebado (precebado) entre contactos en las proximidades de la cresta de la onda de 50 Hz.

Aparece entonces una oscilación amortiguada del sistema LC de la figura 9 a una frecuencia superior a 50 Hz concentrada en torno de la cresta. La sobretensión máxima es en este caso 2 V_n.  que corresponde a la sobretensión máxima admisible por los condensadores (ver IEC 60831-1 para BT y 60871-1 para MT o AT).

Con un aparato más rápido, el cebado no se produce en las proximidades de la cresta de 50 Hz y la sobretensión es consecuentemente más pequeña.

Después de la puesta en servicio, la batería queda cargada a una tensión de 0 a la tensión de cresta de la red.

Si la batería se conecta poco tiempo después, se produciría una descarga debida a la aplicación de una tensión de polaridad opuesta que da lugar a una sobretensión de 3 V_n.

Figura 9: Maniobra de conexión de un circuito capacitívo

Por razones de seguridad de las personas, las baterías de condensadores están equipadas con resistencias de descarga con una constante de tiempo que permiten alcanzar 75 V después de 3 minutos en BT y 10 minutos en AT.

■   Medidas de protección de los receptores

Los fenómenos generados en la desconexión (o conexión) de receptores, estudiados anteriormente, conducen a sobretensiones transitorias que pueden ser peligrosas para los receptores y otros elementos de la red.

La tabla 1 indica, para cada fenómeno estudiado, el nivel de sobretensión y sus características.

	Frecuencia de aparición del fenómeno	Número de crestas de la sobretensión	Valor de la sobretensión	Orden de magnitud de dU/dt	Observaciones
Corriente arrancada	En cada corte	1	2 a 4 Vn	0,1 kV/µs	Favorece los reencendidos
Reencendidos sucesivos	Corte con separación próximo al cero de corriente	0 a 20	2 a 7 Vn	10 kV/µs
Precebados	En cada cierre	1 a 50	2,5 Vn	10 kV/µs
Vn : Valor de cresta de la tensión fase-neutro

Tabla 1: Diferentes tipos de sobretensiones

Los receptores inductivos más afectados por estos fenómenos son los transformadores en vacío, las bobinas de punto neutro  (puesta a tierra del neutro por reactancia) y los motores en periodo de arranque, los receptores capacitivos más afectados son las baterías de condensadores.

Los transformadores se someten a ensayos dieléctricos normalizados de onda de choque, por ello, están mejor construidos que los motores para poder soportar los transitorios ligados a los reencendidos (IEC 60076-3).

En el caso de los motores es diferente. En cada arranque, deben soportar los transitorios debidos a los precebados. Además, incluso cuando el corte en el periodo de arranque es poco frecuente, caso que puede producirse, se suceden entonces reencendidos sucesivos.

Los motores son particularmente sensibles a los precebados sucesivos, por las amplitudes de las sobretensiones engendradas. Las consecuencias de estas sobretensiones es el deterioro del aislamiento de las primeras espiras.

Para limitar estas sobretensiones, es recomendable instalar en paralelo con el receptor, autoválvulas de tipo ZnO.

Pero, la mejor opción consiste en utilizar aparatos de maniobra adaptados para estas aplicaciones o interruptores síncronos.

La tabla 2 indica el comportamiento del aparellaje de corte de media tensión vis-a-vis de los fenómenos ligados a las sobretensiones de maniobra estudiadas.

Aparellaje	Precebados sucesivos en el cierre	Corriente arrancada	Reencendidos sucesivos	Comportamiento global
Interruptor SF6 de auto-compresión	no	pequeña	no	Ningún problema. Por debajo de 300 kW, utilizar un aparato SF6 de arco rotativo.
Interruptor y contactor SF6 de arco rotativo	no	no	no	Ningún problema
Interruptor de vacío	si	si	si	Utilización de autoválvulas
Contactor de vacío	si	pequeña	si	Utilización de autoválvulas
Interruptor y contactor magnéticos en aire	no	no	no	Ningún problema
Interruptor en aceite	no	si	si	Utilización de autoválvulas

Tabla 2: Comportamiento de los aparatos de corte de media tensión

Eliminación de los defectos fase-tierra por Interruptor

Consideramos la red trifásica de la figura 10 en la que la fase 1 está afectada por un defecto a tierra.

En este caso, la red puede ser representada por el esquema equivalente de la figura 11.

Al comienzo de la separación de contactos, la tensión del arco es pequeña y constante.

Al contrario, justo antes del corte, esta tensión llamada tensión de extinción, crece hasta un valor más o menos grande pudiendo sobrepasar V_n. Esta tensión depende del tipo de interruptor (aire, aceite, SF6, vacío) y de la técnica de extinción del arco (refrigeración, alargamiento, arco rotativo…).

Al paso por cero de la corriente, el arco se extingue y la amplitud de la tensión de restablecimiento dependerá de la tensión de extinción de la manera siguiente:

-   Para el caso del neutro puesto a tierra por resistencia (la corriente de defecto está en fase con la tensión), la tensión  de extinción limita la amplitud de las oscilaciones de la tensión de restablecimiento.

-       Para el caso del neutro puesto a tierra por reactancia (la corriente de defecto está desfasada   con relación a la tensión), la tensión de extinción refuerza la amplitud de las oscilaciones.

Después del corte, puede presentarse un recebado si la regeneración del medio dieléctrico no es lo suficientemente rápido con relación a la elevación de la tensión de restablecimiento. En este caso la amplitud de las oscilaciones puede alcanzar el doble de la primera tensión de restablecimiento.

Despreciando las impedancias del transformador y de la línea, la tensión en los bornes de la impedancia de puesta a tierra del neutro (V_N) es igual a la diferencia entre la tensión de la fuente y la de los bornes del interruptor. La tensión V_N se añade vectorialmente a la tensión de las fases sanas y puede conducir en estas últimas a sobretensiones más importantes que las sobretensiones observadas en la fase con defecto.

Las curvas de la figura 12 indican los niveles de las sobretensiones registradas en un defecto a tierra en función de las características de la red y la impedancia de puesta tierra.

Se observa que la puesta a tierra del neutro por reactancia (caso con recebado) aumenta notablemente la amplitud de las sobretensiones, la puesta a tierra por resistencia es por tanto preferible. En este último caso, se observa que las sobretensiones no sobrepasan el 240 % cuando la relación de la corriente en la resistencia de puesta a tierra y la corriente capacitiva de la red es igual a 2 (ver fig. 12).

En las redes puestas a tierra por resistencia, se intentara respetar la relación:

I_rN         : Corriente en la resistencia de puesta a tierra del neutro durante el defecto

I_C          : Corriente en las capacidades fase-tierra de la red

 Z_N                    : Impedancia de la puesta a tierra del neutro (o r_N)

C                      : Capacidad fase-tierra

I_f                      : Corriente de defecto

D                     : Interruptor

V₁, V₂, V₃         : Tensiones simples

Figura 10: Eliminación de un defecto fase-tierra

 X_p                     : Reactancia de la red

C                      : Capacidad con relación a tierra de la fase en defecto

Z_N ó r_N              : Impedancia de puesta tierra del punto neutro (o resistencia rN)

I_f                      : Corriente de defecto

Figura 11: Circuito de defecto durante un defecto fase-tierra

Puesta a tierra por reactancia, caso de redes de distribución pública para las cuales I_XN es igual a 1000 A á algunos millares de amperios

Figura 12: Sobretensiones transitorias según el tipo de puesta a tierra del neutro durante un defecto fase-tierra

Xr   : Reactancia de la red

Va  : Tensión de extinción del arco

Figura 13: Tensión transitoria en la apertura de un interruptor ante un defecto permanente fase-tierra

REFERENCIAS:

Normas:

IEC 60831-1: Condensadores de potencia autorregenerables a instalar en paralelo en redes de corriente alterna de tensión nominal inferior o igual a 1000 V. Parte 1: Generalidades. Características de funcionamiento, ensayos y valores nominales. Prescripciones de seguridad. Guía de instalación y de explotación.

IEC 60871-1: Condensadores a instalar en paralelo en redes de corriente alterna de tensión asignada superior a 1 kV. Parte 1: Generalidades. Características de funcionamiento, ensayos y valores asignados. Requisitos de seguridad. Guía de instalación y explotación.

IEC 60076-3: Transformadores de potencia. Parte 3: niveles de aislamiento y ensayos dieléctricos

IEC 60071-1: Coordinación de aislamiento. Parte 1: Definiciones, principios y reglas.

IEC 60071-2: Coordinación de aislamiento. Parte 2: Guía de aplicación.

Cuadernos técnicos Schneider Electric:

D. Fuchiron: Sobretensiones y coordinación del aislamiento

G. Perrissin, J.P- Robert: Cálculo de las tensiones transitorias de restablecimiento inherentes a los circuitos de ensayo de disyuntores

Robert Morel: Las técnicas de corte de los interruptores automáticos BT

Serge Théoleyre: Las técnicas de corte en MT

Christophe Prévé, Robert Jeannot: Guía de concepción de redes eléctricas industriales

Artículo en pdf en la siguiente URL:

http://www.mediafire.com/view/n7rc1gf27t9mr3j/Sobretensiones_de_maniobra.pdf

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