Mantenimiento eléctrico de Alternadores y Motores de Alta Tensión (Parte 1ª)

Para poder detectar los defectos que se exponen en el post: “Causas de averías eléctricas en alternadores y motores de AT.”

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/10/causas-de-averias-electricas-en.html 

es conveniente realizar periódicamente una revisión en la que se incluyen una serie de operaciones que comportan una inspección visual cuidadosa y la realización de ensayos no destructivos. Las prácticas de mantenimiento más convenientes se describen a continuación.

Normas para evitar la absorción de agua en los devanados

Para evitar la condensación de vapor de agua en la superficie de los devanados y su absorción posterior en máquinas que deben permanecer paradas durante un largo periodo de tiempo, se deben seguir las siguientes reglas:

• Mantener la temperatura de los devanados ligeramente por encima de la temperatura ambiente, para impedir la condensación del vapor de agua. Generalmente bastará con una diferencia de temperatura del orden de 5 ºC. Si la sala de máquinas está sometida a variaciones bruscas de temperatura es preciso aumentar este margen de seguridad.
• La cantidad de calor necesario para mantener esta diferencia de temperatura de 5 ºC, puede calcularse mediante la fórmula aproximada:

Siendo:

                H = potencia calorífica en kW

                D = Diámetro de la carcasa en m.

                L = Longitud del estator en m.

Esta fórmula es válida para generadores o motores de eje horizontal de carcasa cerrada. El calor necesario puede aportarse mediante estufas introducidas en el recinto de la máquina. Si la máquina está desmontada, se la deberá cubrir con una lona o similar para favorecer la concentración de calor en los devanados. También puede aportarse este calor haciendo circular una corriente continua por el devanado de excitación del rotor; normalmente bastará con una corriente igual al 15 % de la nominal de excitación.

Eliminación del agua absorbida por los devanados

En las máquinas que han sufrido una inundación o han estado durante un periodo largo de tiempo paradas en un ambiente húmedo sin que se haya previsto ningún medio para evitar la absorción de agua por los devanados, es preciso generalmente proceder a un secado cuidadoso antes de ponerlas de nuevo en servicio.

La eliminación de agua se puede realizar por calentamiento hasta alcanzar una temperatura no superior a 90 ºC en la parte del devanado fuera de las ranuras. El calentamiento puede hacerse mediante estufas o haciendo circular una corriente por los devanados del estator.

En máquinas que han sufrido una inundación, es preferible calentar de manera cíclica, no sobrepasando la temperatura de 90 ºC, salvo que el fabricante de la máquina indique lo contrario.

El calentamiento debe ser paulatino, sin brusquedades, para evitar la formación excesiva de vapor en el interior del aislamiento.

El control del proceso de secado se puede realizar mediante la medida periódica del Índice de Polarización con un generador de corriente continua de 500, 1000 o 5000 V. hasta conseguir un valor superior a 2.

Es necesario prever siempre una ventilación suficiente durante el calentamiento para favorecer la salida del vapor de agua producido.

Si se utilizan estufas, se deberán distribuir convenientemente de forma que el calentamiento de la máquina sea uniforme.

El calentamiento también puede lograse haciendo circular por los devanados principales del estator una corriente alterna. Esta corriente puede obtenerse haciendo girar la máquina en cortocircuito; es preciso en este caso un cuidadoso control de la velocidad y la excitación para evitar calentamientos excesivos tanto en los devanados por exceso de corriente como en los cojinetes por defecto de engrase si la velocidad es reducida.

Eliminación de la contaminación superficial

En máquinas de ventilación abierta, el depósito de polvo amasado con agua y aceite sobre los devanados puede ser considerable. En este caso es conveniente proceder a una limpieza de la superficie de las bobinas, generalmente no basta con una limpieza en seco y es necesario utilizar un producto disolvente que no ataque a la superficie de las bobinas.

Esta limpieza no debe considerarse como absolutamente efectiva, pues, si bien reduce las corrientes de fuga a lo largo de la superficie del devanado situado fuera de las ranuras, puede no tener ninguna influencia sobre el riesgo de perforación cuando existen grietas en el aislamiento, pues la suciedad acumulada en dichas grietas no desaparece por limpieza, e incluso puede empeorar al rellenarse las grietas que antes estaban limpias.

Revisiones

Es recomendable establecer un programa periódico de revisiones que incluyan la extracción del rotor y el estator del estado del alternador mediante inspección visual y ensayos. Lo normal es hacer coincidir estas revisiones con las de otros elementos mecánicos o con periodos de parada prolongada. El periodo de las revisiones sucesivas debe también ajustarse a los resultados obtenidos en cada revisión, con un mínimo de unos dos años y un máximo de cinco.

Se recomienda también una revisión general inmediatamente después de haber sufrido el alternador unas condiciones de falta severa, como un cortocircuito próximo a la máquina o un cierre en oposición de fase, para observar posibles deformaciones de las bobinas o rotura de amarres. Normalmente bastará en estos casos dejar accesibles las partes externas del devanado, sin que sea normalmente necesario sacar el rotor.

Para proceder a una revisión completa es conveniente sacar el rotor de la máquina, para poder hacer una inspección visual detallada. Si el rotor no se extrae, esta inspección no podrá realizarse correctamente, pero sí los ensayos que se citan en la 2ª parte de este post, los cuales pueden hacerse con el rotor montado.

Inspección visual

La inspección visual es una práctica de mantenimiento insustituible para la detección de ciertos defectos o posibles causas de avería. En está inspección se deberán observar los siguientes elementos:

Devanado del estator:

a) Grado de contaminación superficial de las barras de bobina. Si se considera necesario, deberá hacerse una limpieza en la forma que se ha indicado para la “Eliminación de la contaminación superficial”. 

b) Existencia de deformaciones en las partes exteriores al núcleo que pudieran haberse producido por esfuerzos electrodinámicos durante, por ejemplo, un cortocircuito. 

c) Existencia de grietas, erosión por rozamiento o huellas de golpes en el aislamiento. 

d) Existencia de polvillo blanco en la zona de las bobinas a la salida de las ranuras, en las cabezas de bobina o en barras colectoras. Este polvillo es normalmente debido a efecto corona, que erosiona la superficie del devanado. 

e) Existencia de hinchamientos y falta de adherencia entre las diferentes capas del aislamiento. 

f) Comprobación de apriete de las cuñas de cierre de ranura. Esta operación se puede realizar golpeando las cuñas con un martillo ligero: un ruido claro indicará falta de presión entre la cuña y la bobina. Las cuñas flojas deberán reemplazarse. 

g) Comprobación del apriete de las bobinas contra los anillos de sujeción, cuerdas de amarre y tacos de separación entre bobinas. Esta operación puede hacerse también golpeando los tacos de separación con un martillo ligero. Deberán reemplazarse las cuerdas y tacos flojos o rotos. 

h) Comprobar si hay indicios de vibración de las bobinas en forma de polvo producido por erosión del aislamiento en las zonas de contacto de las bobinas con tacos de separación o amarres. 

i) Observar el aislamiento en la zona de conexión entre bobinas y a las barras colectoras. Una decoloración de estas zonas puede ser debido a calentamiento de las conexiones. 

j) Revisar el cableado de los detectores de temperatura del devanado y los terminales de la caja de conexiones. 

k) Comprobar el estado de los tubos de ventilación de las bobinas en los alternadores refrigerados por H2. 

l) Observar el estado del barniz superficial de acabado. Si aparece resquebrajado o falta de algunos puntos, se debe proceder a aplicar una nueva capa de barniz de acuerdo con las instrucciones del fabricante.

Núcleo:

a) Verificar si hay presencia de aceite o suciedad en la superficie interna del núcleo.

b) Comprobar que no existen signos de erosión mecánica por rozamiento con el rotor o algún elemento extraño.

c) Comprobar el estado de limpieza de los canales de ventilación del núcleo.

d) Verificar si aparecen indicios de vibración de las chapas, que suelen originar un depósito de polvillo rojizo.

e) Observar cualquier variación de la coloración de la superficie del núcleo, que podría deberse a calentamientos locales por corrientes de Foucault al haberse perdido el aislamiento entre chapas, probablemente por falta de apriete o vibración.

f) Comprobar el apriete de los pernos de sujeción del núcleo.

Rotor:

a) Contaminación superficial del bobinado. Si es necesario se hará una limpieza en la forma descrita en “Eliminación de la contaminación superficial”.

b) Verificar si hay movimiento o desplazamiento de las bobinas.

c) Comprobar el estado del aislamiento entre espiras y a tierra.

d) Inspeccionar las conexiones entre las bobinas y los anillos colectores.

e) Comprobar el apriete de las piezas polares.

f) Observar el estado del barniz de acabado de las bobinas. Si está agrietado o ha saltado alguna en alguna zona, se debe proceder a aplicar una nueva capa de barniz.

g) Comprobar el apriete de las barras del devanado amortiguador.

h) Comprobar el estado de los aislamientos del colector.

i) Comprobar el estado de la superficie de los anillos colectores, presión de las escobillas y vibración de los portaescobillas.

Excitatriz:

a) Comprobar el estado de limpieza de las bobinas y, si es necesario, limpiarlas en la forma descrita en “Eliminación de la contaminación superficial”.

b) Observar el estado del barniz de acabado y, si es preciso, barnizarlas de nuevo.

c) Inspeccionar el colector y escobillas. Si es necesario, pulirlo o rectificarlo.

Barras de salida:

a) Comprobar el estado de limpieza de barras, Pasamuros y aisladores soporte.



Continua en:  Mantenimiento eléctrico de Alternadores y Motores de Alta Tensión (Parte 2ª)
https://imseingenieria.blogspot.com/2016/12/mantenimiento-electrico-de-alternadores.html

FUENTE:

ASINEL: Mantenimiento eléctrico de alternadores y motores de alta tensión

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Criterios eléctricos determinantes de la sección de conductores

Para la distribución de la energía eléctrica se utilizan fundamentalmente materiales conductores de la electricidad tales como cables aislados o desnudos.

Para su dimensionamiento es preciso tener en cuenta los siguientes criterios:

• Calentamiento
• Caída de tensión
•  Rendimiento o pérdidas
• Sobretemperatura máxima admisible en caso de cortocircuito

Cada uno de ellos nos guiará en la elección del más adecuado en cada caso.

Calentamiento

Es una consecuencia del Efecto Joule. El paso de la corriente produce calor en todo conductor, y como consecuencia de ello se establece en el conductor y aislamiento un gradiente de temperatura.

El conductor se va calentando en tanto se desarrolla en él más calor que el que cede llegándose a alcanzar una temperatura final de estabilización cuando todo el calor disipado iguala al calor que se produce.

Esta temperatura final de estabilización viene determinada por los aislantes que no admiten temperaturas altas debido a que se deterioran. De aquí se deriva un límite y por tanto un criterio para determinar la densidad de corriente máxima admisible para un determinado aumento de temperatura.

El cociente entre la intensidad de corriente que circula por un conductor y la sección del mismo se denomina densidad de corriente y determina el calentamiento del conductor indicando los amperios por mm2 que circulan por él.

Al aumentar la sección el calor se disipa peor y la densidad disminuye.

El reglamento de B.T. establece los valores máximos de densidad de corriente y de intensidades máximas admisibles, en las instrucciones: ITC BT 07 e ITC BT 19.

Los fabricantes de cables establecen tablas de intensidades máximas admisibles en los cables que son características de cada uno de los tipos y sistemas de fabricación.

Estos valores vienen afectados por la disposición de los conductores en la instalación, aplicándose unos coeficientes según el tipo de instalación y la proximidad de otros conductores.

Caída de tensión

Cuando hablamos de calentamiento, se supone que hay una parte de energía que se pierde. Esta pérdida de energía es la diferencia entre la entregada por el generador y la absorbida por el receptor.

Al ser la intensidad de la corriente eléctrica la misma en todo el conductor, la menor potencia disponible en el extremo del conductor se debe a la pérdida de diferencia de potencial entre los dos extremos.

A esta diminución de tensión se le denomina caída de tensión (c.d.t) que es proporcional a la longitud de la línea.

Aun cumpliéndose el primer criterio -calentamiento- puede muy bien ocurrir que la caída de tensión a lo largo de la línea resulte excesiva con las consecuencias de un inadecuado funcionamiento de los receptores, tanto los motores como los aparatos de iluminación.

En este caso hay que recalcular la línea prescindiendo de su calentamiento y ateniéndose solamente a la condición de que la caída de tensión no exceda de valores predeterminados (el REBT admite como máximo 3% en alumbrado y 5% en fuerza).

Por regla general en líneas largas se impone el criterio de caída de tensión mientras que en las cortas se impone el de calentamiento.

La caída de tensión viene determinada por la expresión e = R · I

Corriente continua:

Corriente alterna

En corriente alterna monofásica existe un consumo inductivo caracterizado por un desfase entre la tensión y la intensidad. La caída de tensión en alterna es la diferencia geométrica entre U o y U  f, o sea el vector I·R.

Rendimiento o pérdidas

El tercer criterio de rendimiento o pérdidas resulta de la consideración de que las líneas en servicio tienen unas pérdidas en vatios que deben valorarse y esta valoración es la que decide si es más conveniente atenerse a las secciones que fijan los criterios anteriores o es preferible invertir algo más de dinero en el conductor, incrementando su sección con objeto de que las pérdidas de explotación sean menores y por lo tanto la factura energética.

Sobretemperatura máxima admisible en caso de cortocircuito

Un cortocircuito en un cable lo podemos considerar como una sobrecarga de muy corta duración, inferior a cinco segundos, y que viene seguida por una desconexión permanente, por lo que en este caso son admisibles temperaturas momentáneas más elevadas que las de servicio permanente.

Las normas UNE indican los valores máximos de temperatura de cortocircuito del conductor, de acuerdo con la naturaleza del material aislante, así la norma UNE 21123 determina para los cables de 1 a 30 kV una temperatura máxima de cortocircuito en el conductor de 160 ºC para los cables aislados con PVC y de 250 ºC para los aislados con XLKPE y EPR.

Para los cables aislados con PVC para tensiones nominales o inferiores a los 750 V, las temperaturas de cortocircuito indicadas en la Norma UNE 21031 son las de 150 ºC para los cables flexibles y de 160 ºC para los cables de instalaciones fijas.

Los fabricantes de cables suministran curvas de intensidad térmicamente admisible en cortocircuito y tiempo en segundos para cada sección de conductor.

Valoración de los diferentes criterios

El primer criterio, el de calentamiento, debe cumplirse siempre ya que es de absoluta necesidad que el aumento de temperatura del conductor no exceda de los límites reglamentarios, si no queremos que se perjudique el conductor.

El segundo criterio (caída de tensión) es para dar mejor servicio, pero ya no es de absoluta necesidad.

El tercer criterio (rendimiento o pérdidas), no es de absoluta necesidad, ni hace falta para dar mejor servicio, sino que es un criterio puramente económico.

Con respecto al segundo criterio, el Reglamento de Baja Tensión, con relación a las líneas de instalación, dice que la sección del conductor se deberá elegir de forma que, aparte de cumplir la condición de calentamiento, no dé lugar a una caída de tensión superior a unos valores preestablecidos (Ver tabla 1).

TABLA 1

La potencia es proporcional al cuadrado de la tensión.

La potencia útil es menor en porcentaje que la tensión útil porque depende del cuadrado de la tensión.

El reglamento sobre Regularidad del suministro y Verificación en su artículo 65 señala que toda compañía suministradora está obligada a mantener la tensión y la frecuencia con tolerancias del ± 7 % y del ± 5 % respectivamente.

Construir una línea de transporte de forma que desde el funcionamiento en vacío al de plena carga se respetasen los márgenes que dan estas tolerancias exigiría a menudo el empleo de grandes secciones que resultarían antieconómicas. Lo que se hace en la práctica, es fijar en ellos caídas económicas y regular la tensión por algún medio que compense las caídas de tensión, tales como:

•       Transformadores con tomas, con regulación bajo carga.
•       Compensadores síncronos.

Más detalles sobre las caídas de tensión en el post “Verificación de las caídas de tensión en instalaciones de BT.” en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/03/verificacion-de-las-caidas-de-tension.html 

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Sección de los conductores de protección (PE), de equipotencialidad y de neutro en instalaciones de B.T.

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/03/seccion-de-los-conductores-de.html

Diagrama de elección de la sección de las canalizaciones y del dispositivo de protección

Protección contra sobrecargas y cortocircuitos en Baja Tensión

Protección contra Sobrecargas

Las sobrecargas no son perjudiciales, siempre que su duración no permita que se alcancen temperaturas inadmisibles. Para una correcta utilización de los circuitos, no deben producirse desconexiones indebidas. Esto implica que el dispositivo de protección contra sobrecargas sea de «tiempo-dependiente» o «característica térmica». Normalmente, el dispositivo mide el calentamiento «indirectamente» mediante el control de la intensidad que recorre el circuito.

Para la aplicación correcta de este sistema, se requiere conocer la «imagen térmica» (curva tiempo-corriente admisible) del aparato que hay que proteger, lo que sucede pocas veces. Si se conoce esta característica, se debe elegir la protección teniendo en cuenta lo indicado en la figura 1.

Cuando no se conoce la curva de imagen térmica, la aplicación de relés térmicos que cumplan las normas UNE y CEI establecidas suele ser suficiente.

Figura 1: Protección contra sobrecargas

En este caso, para una buena elección del relé deben tenerse en cuenta, entre otras: las características de arranque de la máquina (corriente, duración y frecuencia), la temperatura ambiente (de la máquina y del relé de protección), etc. Los relés térmicos normalizados proporcionan en general una protección conservadora.

El elemento básico de un relé térmico de sobrecarga es una lámina bimetálica, es decir, constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación y calentada por la corriente que atraviesa el circuito principal; este calentamiento puede ser:

• Directo, si por la bilámina pasa toda la corriente del circuito.
• Indirecto, si la corriente pasa por un arrollamiento calefactor que rodea la bilámina.

En la lámina bimetálica, por ser diferente el coeficiente de dilatación térmica de ambos metales, al aumentar la temperatura éstos sufren un alargamiento, que será diferente en ambos. Al estar soldados por sus extremos, el metal cuyo coeficiente de dilatación sea mayor se curvará sobre el otro, de forma que, si no se fija uno de los extremos de la lámina bimetálica, el otro extremo de la bilámina se desplazará hacia el lugar ocupado por el metal de menor coeficiente de dilatación térmica (figura 2).

Si esta bilámina, al llegar en su curvatura a un punto determinado, acciona algún mecanismo, abre un contacto o actúa sobre cualquier otro dispositivo solidario con el mecanismo de disparo de un interruptor automático, como la bobina de un contactor, etc., se puede conseguir la desconexión de dicho interruptor o contactor.

La corriente de caldeo puede ser la corriente de carga o, en el caso de intensidades elevadas, una parte proporcional de la corriente de carga, suministrada por el secundario de un transformador de intensidad conectado en el circuito principal.

Figura 2: Principio de funcionamiento de un relé térmico de sobrecarga

Figura 3: Contactor con protección térmica en las tres fases. Los fusibles

constituyen la protección contra cortocircuitos

Protección de Cortocircuitos

Las corrientes de cortocircuito, a consecuencia del elevado valor que suelen alcanzar, ocasionan un rápido calentamiento de los conductores por los que circulan. La interrupción de estas corrientes debe realizarse en el menor tiempo posible.

Los daños que pueden producir estas corrientes, son, sucesivamente:

• Envejecimiento.
• Carbonización o inflamación de los aislamientos.
• Fusión de los conductores.
• Disminución de las características mecánicas de las partes conductoras o metálicas adyacentes (resortes, etc.).

El primero de los efectos señalados que se presenta es el envejecimiento de los aislamientos. Para evitarlo, la temperatura momentánea no debe superar determinados valores especificados por los fabricantes.

Las temperaturas máximas admisibles (para una duración no superior a 5 s) son:

• Cables con aislamiento de PVC                                160 ºC
•  Cables con aislamiento de caucho natural                200 ºC
• Cables con aislamiento de butil                                220 ºC
• Cables con aislamiento de PRC o EPR                     250 ºC

Los cortocircuitos son siempre perjudiciales y deben interrumpirse cuanto antes.  Por este motivo, los dispositivos de protección contra ellos deben ser «instantáneos» (también llamados de «tiempo-independiente») y han de actuar sobre equipos capaces de abrir el circuito en presencia de estas corrientes elevadas. El medio más utilizado para la protección de cortocircuitos es el interruptor de potencia (figura 4).

Figura 4: Interruptor de potencia para una intensidad nominal de 800 A

Con el objetivo de cumplir adecuadamente sus misiones de mando y protección, los interruptores de potencia suelen estar provistos de toda una serie de mecanismos y dispositivos de desenganche o desconexión. A continuación se citan los más interesantes:

• Dispositivos térmicos de desenganche con retardo dependiente de la corriente, que se utilizan para la protección contra sobrecargas (figura 5).
• Dispositivos de desenganche electromagnéticos de sobreintensidad, utilizados como desenganches rápidos para la protección contra cortocircuitos. Estos dispositivos actúan por atracción electromagnética no retardada (o sólo brevemente retardada) de una armadura y se ajustan, según los impulsos de carga admisibles, a un múltiplo de la corriente nominal, de forma que no reaccionan a las intensidades de arranque y a las sobrecargas normales de servicio. Los dos dispositivos de desenganche citados son atravesados por la corriente principal.
• Dispositivos de desenganche magnetotérmicos constituidos por la combinación, en un sólo bloque, de los dispositivos térmicos contra sobrecargas y electromagnéticos contra cortocircuitos indicados anteriormente (figura 6).
• Dispositivos de desenganche electromagnéticos con retardo por dispositivo mecánico de freno, que tienen una curva «sobreintensidad-tiempo» que depende de la corriente y dispara sin retardo en caso de cortocircuito. Al contrario de lo que sucede con los dispositivos térmicos de desenganche, el tiempo de desenganche es independiente de la carga previa; resultan insuficientes para la protección de motores.
• Dispositivos de desenganche electromagnéticos de mínima tensión, que están conectados a la tensión de servicio y disparan al disminuir la tensión hasta un 50 % de su valor nominal, aproximadamente, soltando su armadura magnética. De esta forma, impiden el nuevo arranque automático de los motores u otros órganos protegidos al volver la tensión de servicio. A un 70 %, aproximadamente, de la tensión nominal permiten la conexión de su interruptor.
• Dispositivos de desenganche electromagnéticos de corriente de trabajo (emisión de corriente). Se utilizan para el disparo a distancia, por cierre de su circuito de corriente, en interruptores de trinquete.  Reaccionan con un 50 % de su tensión nominal y se desconectan por medio de un contacto auxiliar del interruptor de potencia.

Figura 5: Curvas de desconexión de elementos térmicos

La capacidad nominal de ruptura o de desconexión es un múltiplo de la corriente nominal del interruptor. Se define como el valor efectivo de aquella corriente que, a un factor de potencia determinado y con 1,1 veces la tensión nominal, puede ser conectada y desconectada; como valores del factor de potencia del circuito de corriente de ensayo se eligen 0,7 para pequeñas intensidades de corriente, y 0,4 para grandes intensidades.

Contrariamente a otros aparatos de maniobra y mando (contactores, guardamotores, etc.) que son maniobrados varias veces al día, los interruptores de potencia permanecen conectados, en ciertas circunstancias, durante semanas e incluso meses. Por ello dichos interruptores se construyen para una frecuencia reducida de maniobra; generalmente, se considera una duración total útil de unas 100.000 maniobras.

Figura 6: Curvas de desconexión de un elemento magnetotérmico

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Cambio de régimen de un circuito

Todos los elementos y aparatos que componen cualquier circuito eléctrico de potencia, tienen en mayor o menor medida una cierta resistencia óhmica (R), una capacidad (C) y una inductancia (L), pues se trata de unas características constructivas, en cierta forma inevitables.

El paso de una corriente eléctrica por el circuito hace que en la resistencia se produzca un calor por efecto Joule (I² R) por tanto, una energía eléctrica que sale del circuito (se «pierde») convertida en calor.

Desde este punto de vista, la resistencia se denomina «elemento pasivo».

En la capacidad C se «almacena» una energía W = 1/2 C · u² y en la inductancia L se almacena también una energía W = 1/2 L ·  i².

Por tanto en un circuito de tensión y corriente alternas estas energías almacenadas fluctúan entre un máximo, correspondiente a Umáx e Imáx, respectivamente, y cero, para valor nulo de u o i.

Estos parámetros constructivos de resistencia, capacidad e inductancia componen, en función de la frecuencia, la impedancia Z del circuito.

En régimen permanente, los valores de tensión, intensidad e impedancia en las diversas partes de un circuito están relacionados de acuerdo con las leyes de Ohm y Kirchhoff.

Cuando se produce un cambio brusco en los valores de las impedancias, las corrientes y también ciertas tensiones del circuito varían de valor hasta alcanzar un nuevo estado de régimen que cumpla con las citadas leyes.

Ahora bien, este cambio de un régimen permanente a otro, se produce a través de un período transitorio normalmente de muy corta duración (del orden de microsegundos), durante el cual, pueden producirse sobretensiones y/o sobrecorrientes que en ciertos casos pueden llegar a ser peligrosos para los elementos del circuito.

En efecto, al producirse este cambio brusco en la configuración del circuito, las energías almacenadas en aquel momento en las inductancias L y capacidades C, se redistribuyen para adaptarse a la nueva configuración ya que las corrientes y las tensiones parciales también han variado.

Esta redistribución no puede producirse instantáneamente (en tiempo cero):

• La variación de la energía almacenada en el campo magnético 1/2 L · i² requiere un cambio en el valor de la corriente. Este cambio provoca como es sabido una fuerza contraelectromotriz e = – L di · dt.
• Por tanto una variación instantánea (t = 0) requeriría una tensión infinita para producirla.
• Análogamente, la variación de la energía almacenada en el campo eléctrico 1/2 C · u² exige un cambio en la tensión u en bornes del condensador para la cual se cumple i = C du · dt

Por tanto una variación instantánea (t = 0) de la tensión requeriría una corriente de valor infinito.

En consecuencia estas variaciones de corrientes, tensiones y energías, dan lugar al período transitorio antes indicado.

Cambio de régimen en el interruptor

Cuando un interruptor intercalado en un circuito abre o cierra, provoca un cambio brusco en la configuración del circuito pues, o bien deja fuera de circuito una parte del mismo (apertura), o bien añade una nueva porción (cierre). Hay pues una variación brusca de R, L y C, y por tanto un fenómeno transitorio.

También se provoca un cambio brusco en la configuración del circuito cuando se produce un cortocircuito en algún punto del mismo.

La figura 2 lo pone de manifiesto. 

Figura 2: Apertura del interruptor

Al producirse un cortocircuito en el punto P, quedan bruscamente fuera de circuito («cortocircuitados») R3, L3, C3 y Z.

Como es sabido, un cortocircuito es habitualmente una situación anormal no deseada, pues provoca o bien una sobreintensidad peligrosa, o bien una corriente de recorrido anormal, o ambas cosas a la vez. También puede provocar sobretensiones (por ejemplo, en cortocircuitos fase-tierra en redes trifásicas con el neutro aislado o conectado a tierra a través de impedancia elevada).

Por tanto normalmente, cuando se produce un cortocircuito, se ordena la apertura de un interruptor de forma que deje fuera de circuito la parte del mismo afectada por el cortocircuito. Así en la figura 2, se haría desconectar el interruptor D.

Ahora bien, esta apertura del interruptor representa un nuevo cambio brusco en el circuito pues se elimina una parte del mismo. En el de la figura 3, serían R2, L2 y C2.

Figura 3: Circuito básico monofásico. 

Es evidente pues que en la apertura de un interruptor sea por maniobra normal, pero en mayor medida en caso de cortocircuito se produce un fenómeno transitorio que en muchos casos da lugar a sobretensiones en los bornes del interruptor y también en otras partes del circuito.

Estas sobretensiones son en general más importantes en las aperturas de cortocircuitos que en las de maniobra normal, pero por ejemplo en la desconexión normal de baterías de condensadores pueden ser también peligrosas.

Por tanto un interruptor adecuadamente diseñado, especialmente si es para media o alta tensión (MT o AT), debe ser capaz de soportar y dominar estas sobretensiones, provocadas por su propia acción de apertura.

El fenómeno en MT y AT

En los sistemas de media y alta tensión, por la naturaleza constructiva de sus elementos (transformadores, generadores, líneas, cables, etc.), la resistencia óhmica R es muy pequeña frente a la reactancia inductiva XL (Lω), de forma que la impedancia Z es aproximadamente igual a la reactancia XL (Z ≈ X).

Por lo tanto, en caso de cortocircuito, la corriente que se origina (corriente de cortocircuito), está prácticamente desfasada 90º en atraso respecto a la tensión. esto hace que su interrupción sea más difícil.

No obstante, si bien a estos efectos la resistencia R es despreciable, en otros aspectos juega un papel importante. Concretamente por su característica de «elemento pasivo» disipador de energía produce un efecto amortiguador de las sobretensiones tanto en su valor (V o kV) como en su curso temporal.

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