La bobina Petersen

Las bobinas Petersen o reactancias regulables de extinción de arco se utilizan para compensación de corriente capacitiva durante los fallos a tierra en redes eléctricas.

Tienen por objeto hacer que la impedancia, ordinariamente normal, de las líneas, sea en las condiciones de corto circuito muy elevada, y su principal ventaja consiste en que las averías de este tipo con carácter transitorio no influyen gravemente sobre la instalación y se evita la desconexión automática del sector afectado.

 Estas bobinas se construyen con núcleo de aire o de hierro y refrigeración natural o en aceite.

Cuando se emplea núcleo de hierro, la reactancia se hace ligeramente superior a la de sintonía y la saturación producida por la corriente de cortocircuito disminuye el coeficiente de autoinducción hasta un valor que conviene a la condición de resonancia.

Estas bobinas se instalan entre el centro de la estrella del transformador y la toma de tierra (figura 1), y su reactancia es regulable para sintonizarla con la capacitancia respecto a tierra de los conductores de línea. El coeficiente de autoinducción X en henrios debe ser aproximadamente tal que: 

ω = 2 π f, es la pulsación correspondiente a la frecuencia f de la red, C es la capacidad equivalente a la de un conductor simple, en faradios.

Figura 1: Principio de funcionamiento de la bobina Petersen

En caso de arco a través de un aislador, se forma un circuito antirresonante constituido por la bobina Petersen y la capacidad de la línea, cuya alta impedancia limita la corriente suministrada por el generador o transformadores.

Principio de funcionamiento

• Se basa en el principio de que I_L y I_COT se encuentran en oposición de fase (Figura 2 y 3).
• Si I_L >> I_COT se sigue el mismo criterio de protección que en el caso de R limitadora*.
• La reactancia ** es preferida a la resistencia, si  U > 20kV, o si IC es grande.
• Si el neutro no es accesible, se puede utilizar una bobina de puesta a tierra, de la misma forma que un transformador de p.a.t. con resistencia.

* Ver post: Cálculo de resistencias limitadoras de corrientes de cortocircuito a tierra

https://imseingenieria.blogspot.com/2018/10/calculo-de-resistencias-limitadoras-de.html

**Ver post: Conexión a tierra del neutro de Generadores: Neutro a tierra por reactancia (Parte 2ª)

https://imseingenieria.blogspot.com/2017/07/conexion-tierra-del-neutro-de_26.html

Figura 2: Neutro puesto a tierra mediante Bobina Petersen.

Figura 3: Diagrama vectorial V - I

• Si se quiere que I_L = I_COT ⇒ I_d ≅ 0, se debe recurrir al uso de la bobina de reactancia sintonizada o bobina Petersen (figura 1).
• Se necesita adaptar el valor de la bobina a la capacitancia de la red, en función del número de salidas en servicio, es utilizable en redes «estables» y requiere de bobinas de inductancia variable.
• Se utiliza para eliminar automáticamente los defectos autoextinguibles, mejorando la continuidad del servicio.
• Requiere de protecciones direccionales de potencia activa residual (complejas) para detectar el ramal en defecto.

La conveniencia de emplear bobinas Petersen ha sido siempre muy discutida entre los ingenieros encargados de la explotación de redes.

En América, aproximadamente el 70 % de las faltas totales por descargas a tierra han sido equilibradas con bobinas Petersen sin necesidad de llegar al accionamiento de los disyuntores automáticos. La capacidad de las líneas respecto a tierra se mide por la corriente capacitiva con los extremos de la red a circuito abierto, y cada bobina se prevé para la corriente máxima durante 10 minutos de funcionamiento. Un reté de tiempo las pone en corto circuito al objeto de provocar la acción de los interruptores automáticos si la avería persiste más de lo previsto.

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¿Por qué se utilizan altas tensiones en el transporte de energía eléctrica?

Excepto en casos muy concretos, la energía eléctrica no se produce en el lugar en que se consume, por lo que es necesario transportarla desde la central eléctrica que la produce hasta el lugar de consumo, distante a veces centenares o miles de kilómetros.

Por regla general, las centrales generadoras de energía eléctrica se instalan al pie de los yacimientos de carbón, saltos hidráulicos o cualquier otra fuente de energía y, una vez transformada, se transporta al centro de consumo mediante grandes líneas de distribución. Con esto se consigue aprovechar mejor las fuentes de energía, a la vez que se reducen los costes de transformación, al centrarlos en pocos lugares. También, de esta forma, es posible la instalación de industrias en zonas del país que carezcan de fuentes primarías de energía.

Generación, transporte y distribución eléctrica

Para realizar el transporte de energía eléctrica, es necesario superar muchos problemas: los propios de la complejidad de la instalación, el cruce sobre ríos, carreteras y otras líneas de transporte de energía o de telecomunicaciones, su instalación en terrenos accidentados y a los que es difícil hacer llegar los elementos necesarios para la instalación de las líneas de distribución (conductores, apoyos, herrajes, etc.).

Para el transporte de energía, se emplean altas tensiones ya que la potencia que ha de transportar una línea es:

 donde:

V: tensión asignada de la línea

I: intensidad

cos φ: factor de potencia 

las pérdidas de potencia en la línea serán:

donde:

p: pérdidas por efecto Joule

R: resistencia eléctrica

I: corriente de línea

Por lo tanto, sustituyendo e igualando, se obtiene:

donde:

Expresión en la cual se puede observar que la sección S de los conductores varía en razón inversa del cuadrado de la tensión empleada; en consecuencia, si se duplica la tensión, se reduce la sección a la cuarta parte con la misma pérdida de potencia, lo que conllevaría un ahorro en el coste de los cables.

Las siguientes relaciones se deducen de las anteriores expresiones:

Es decir, si duplicamos la tensión la sección necesaria de los cables se reduce a la cuarta parte.

O lo que es lo mismo, elevar la tensión 10 veces en las líneas de distribución eléctrica supone reducir las pérdidas de energía por efecto Joule en razón de 100.

Es decir, si se duplica la tensión la potencia a transmitir se multiplica por cuatro.

En la siguiente tabla puede observarse la potencia que puede transportar en MW/km una línea con una caída de potencia del 7,5% y un factor de potencia del 0,9, según la tensión y la sección de los conductores de aluminio con alma de acero. 

Se observa que de esta forma, al transportar grandes potencias a largas distancias mediante altas tensiones, se consigue reducir la sección de los conductores empleados y tener menores pérdidas de potencia. No obstante, esto no quiere decir que una línea de distribución sea más económica cuanto más elevada sea la tensión de transporte, ya que, al aumentar la tensión, los transformadores necesarios aumentan de precio y lo mismo ocurre con los aisladores, apoyos, aparatos de medida, seccionadores y todo el material necesario excepto los conductores.

Protecciones direccionales (ANSI 67 y ANSI 67 N) (Parte 1ª)

El principio de funcionamiento de todas las protecciones direccionales es, como su nombre indica, la detección de unos valores de corriente (valor en módulo), en un sentido determinado, por tanto a diferencia de las protecciones amperimétricas, estas siempre llevarán intrínsecamente asociada la dirección de la misma.

El concepto de la direccionalidad obliga a introducir un nuevo concepto, que es respecto a que tomamos la dirección de las magnitudes.

Así pues para el caso de las protecciones direccionales de fase, tomaremos siempre de referencia una tensión entre fases, como vector de "posición cero" o vector de comparación, y para el caso de las direccionales de tierra, tomaremos la tensión homopolar resultante del vector desplazamiento del punto neutro como consecuencia del defecto a tierra, como referencia.

Por lo tanto vemos que cuando hablemos de protecciones direccionales, ineludiblemente debemos pensar no solo en TI's o toroidales de detección de la magnitud, sino también en los TT's para la referencia de ángulo respecto a lo que compararemos y consideraremos como sentido "normal" o sentido "inverso".

Conceptualmente, por convenio siempre decimos que la corriente circula desde la fuente hacia la carga, así pues:

·       está en fase con la tensión si la carga es resistiva pura,

·       esta en retardo de fase π/2 si la carga es inductiva pura,

·       está en avance de fase π/2 si la carga es capacitiva pura.

Vemos gráficamente (figura 1) cómo se asocia por convenio, el sentido de circulación de la corriente, y cómo se "polariza" una protección direccional.

Figura 1

Protección direccional de fase (ANSI 67)

Esta protección es bifásica, y conlleva una protección de máxima intensidad convencional (50/51) asociada a una detección de dirección. Se activa si una de las protecciones Max de I fase (L1 o L3), llega al umbral regulado (a tiempo independiente, DT, o dependiente, SIT, VIT, EIT) en el sentido de detección determinado (normal o inverso).

La protección es operativa a partir de una tensión de polarización superior al 1,5% de Un, y se regula el ángulo de actuación en función del cos φ de la carga aguas abajo de la protección.

El principio de funcionamiento de dicha protección es el indicado en la figura 2.

Figura 2

Ejemplo realizado para la fase 1. Para la fase 3 sería idéntico, sólo que referido a la tensión U21, pero el reglaje de la protección es único para ambas fases.

·     Iso/T: umbral de detección en A regulable a tiempo dependiente o independiente (ídem. 50/51),

·         θ :   ángulo característico:

30º para redes muy inductivas,

45º para la mayoría de casos (90%),
60º para redes muy resistivas.

Esta protección se utiliza en redes con fuentes en paralelo, para asegurar una actuación selectiva de las protecciones, o en bucles de distribución industrial cerrados, asociada a un sistema de selectividad lógica.

·       Figura 3, para el caso de 2 fuentes en paralelo.

·      Figura 4, para el caso de 2 líneas en paralelo.

Figura 3: Ejemplo para el caso de 2 fuentes en paralelo.

Figura 4: Ejemplo para el caso de 2 líneas en paralelo.

Continua en: Protecciones direccionales (ANSI 67 y ANSI 67 N) (y Parte 2ª)
https://imseingenieria.blogspot.com/2020/04/protecciones-direccionales-ansi-67-y_16.html

Protecciones direccionales (ANSI 67 y ANSI 67 N) (y Parte 2ª)

Protección direccional de tierra (ANSI 67N):

Esta protección es unipolar, y su función consiste en detectar la corriente de defecto a tierra en el sentido de circulación normal del ramal (a diferencia de la protección direccional de fase), por comparación con la tensión homopolar V₀ (o residual), por lo tanto el uso de esta función de protección implica la utilización de 3 TT's para la detección de V₀, ya sea mediante suma vectorial de las 3V (tensiones fase-tierra), o por medición directa de la tensión residual sobre secundario 3 TT's conectados en triángulo abierto.

Básicamente esta protección se utiliza para aplicaciones de redes con neutro aislado, y tramos de línea "largos" donde la corriente capacitiva que puede remontar el ramal de línea sea importante y se den las condiciones

o   capacitiva del ramal, porque para garantizar la sensibilidad en la detección de dicha corriente, la corriente capacitiva debe ser al menos 1,3 veces superior al reglaje de la protección, pero:

o   la intensidad de defecto a detectar en un ramal debido a las capacitivas de los otros ramales, puede ser inferior a 1,3 veces la I capacitiva del propio ramal en defecto.

o   Y también se utiliza en casos de instalaciones con varias puestas a tierra en servicio simultáneas.

* Posibilidades de medida de la tensión homopolar: figura 5.

Figura 5

* Definición del ángulo característico

Cuando se produzca un defecto a tierra, el triángulo de las tensiones se deforma, produciéndose un desplazamiento del punto neutro, y por consiguiente generándose una tensión homopolar, que es la que utiliza- remos como referencia de comparación, y sobre la cual definiremos el ángulo característico de reglaje de la protección direccional de tierra, la cuál junto con el reglaje de la magnitud de la corriente de defecto Iso en amperios (característica a tiempo independiente, DT) definirá el reglaje completo de dicha función de protección (Figura 6 y 7).

Figura 6

Figura 7

En función de que Z de p.a.t. sea una resistencia de valor elevado, una impedancia infinita (neutro aislado), una impedancia nula (neutro rígido a tierra ≡ directo), o una bobina de compensación (Petersen) tendremos distintos ángulos característicos, a continuación veremos cada una de las situaciones mas típicas.

* Circulación de las corrientes de defecto fase – tierra (Figura 8).

Figura 8

Reglaje de una protección direccional de tierra (67N) en redes de neutro aislado (Figura 9)

Figura 9

  

Reglaje de una protección direcional de tierra en redes de neutro a tierra fuertemente limitado por resistencia. (Figura 10)

Para red con neutro compensado q = 0º al igual que en el caso expuesto, solo que el umbral Iso será mas pequeño, ya que en el caso ideal I_o ≈ 0.

Todos los casos intermedios entre el neutro aislado y el limitado fuertemente por resistencia, se regularán entre 0º y 90º, concretamente el relé Sepam 2000 (Schneider Electric) admite los reglajes de 15º, 30º, 45º y 60º.

Figura 10

Reglaje de una protección direccional de tierra en redes con varias p.a.t. en paralelo (Figura 11).

En redes de distribución con neutro puesto a tierra directamente (rígido), no se utiliza la protección direccional de tierra (67N), porque las intensidades de defecto que se generan son tan elevadas que las corriente capacitivas son despreciables , por lo que las corrientes de defecto siempre irán en el sentido de circulación "normal" del ramal (las capacitivas que pueda remontar el ramal serán despreciables),y simples de detectar dada su elevada magnitud.

Generalmente, el uso de dichas protecciones obliga a utilizar toroidales sobre cable en cada salida (ramal), porque la magnitud de intensidad a detectar es pequeña, y mediante Σ3I no tenemos suficiente margen de maniobra al estar limitados a reglajes mínimos del 10% In TI.

Figura 11

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