Sobretensiones producidas en la desconexión de transformadores en vacío

 

La desconexión de transformadores en vacío corresponde al caso de corrientes inductivas relativamente pequeñas, maniobra muy frecuente en los interruptores automáticos de entrada a centros de transformación. (fig. 1).

Figura 1

Las capacidades C₁ y C₂ corresponden a la de la línea anterior al interruptor y a la del transformador, y la autoinducción L₂ a la inductancia, en vacío, del transformador.

Antes de la apertura del interruptor automático, D, circula por el circuito una pequeña corriente de intensidad eficaz I prácticamente inductiva: 

siendo L₁ la autoinducción de la línea.

Al separarse los contactos del interruptor se establece un arco.

En un interruptor ideal, al apagarse el arco justo al paso por cero de la corriente, la tensión del borne 1, U₁, que en ese instante pasa por su valor máximo, seguirá oscilando a la frecuencia industrial de la red, pero la tensión del borne 2, U₂, que en el mismo instante es igual a U₁ = É, oscilara con la frecuencia propia del circuito L₂ C₂ (fig. 2). 

Figura 2

La tensión de restablecimiento

U_tr = U₁ — U₂

oscilará inicialmente con esta misma frecuencia, pero la resistencia óhmica del circuito irá amortiguando la amplitud de las oscilaciones hasta llegar a anularlas.

El factor de amplitud de la tensión de restablecimiento seria casi igual a 2.

Pero en un interruptor real, si, como generalmente sucede, está dotado de un eficaz medio desionizante, el arco, al ir reduciéndose el valor de la corriente, se hace inestable, inestabilidad acentuada por la acción más o menos acentuada del proceso de extinción, por lo que resulta normal que se apague bruscamente antes del paso natural de la corriente por su valor nulo, fenómeno conocido como corriente arrancada: los ingleses le llaman "chopping".

Esta circunstancia implica el corte instantáneo de una cierta corriente l₀. La energía electromagnética residual del circuito

almacenada en las inductancias L₁ y L₂, se descargará en consecuencia sobre las capacidades C₁ y C₂ según las flechas de trazos y despreciando las pérdidas óhmicas quedara toda ella en éstas bajo la forma de energía electrostática:

De las igualdades:

deducimos que la sobretensión inducida en el lado de entrada del interruptor alcanzaría un valor: 

y la correspondiente al lado de salida, en bornes del transformador: 

de sentido contrario a U₁.

Según los valores de i₀, L₁, L₂, C₁ y C₂, estas tensiones pueden alcanzar teóricamente valores muy elevados. A título de ejemplo, si un interruptor, en una línea de 220 kV, debe cortar una corriente de vacío de un transformador de 11 A eficaces y el arco se extingue cuando esta corriente tiene el valor de 7 A, si la inductancia y la capacidad de la línea valen 35,2 H y 0.0023 pF, respectivamente, la sobretensión que se tendría en el lado de entrada seria: 

El valor de la sobretensión depende de las características del transformador, siendo tanto mayor cuanto más elevada es la relación L₂/C₂, y de las características del interruptor, al incidir estas en el valor de i₀.

La frecuencia de la oscilación es: 

Si el arco se extingue al paso natural de la corriente por cero no se produce sobretensión alguna, pues la energía almacenada en el condensador, que en ese instante será máxima, en tanto que la electromagnética será nula, se descarga sobre la autoinducción L₂ en forma oscilante, amortiguándose paulatinamente a causa de la resistencia óhmica del circuito. La expresión de la tensión transitoria, en bornes del transformador, sería en este caso: 

En la realidad los valores máximos de las tensiones U₁ y U₂ no se alcanzan nunca por cuanto al exceder la tensión entre contactos U₁(t)-U₂(t) el valor de la rigidez dieléctrica del plasma se produce un reencendido del arco que reduce prácticamente a cero la tensión de restablecimiento y se tiene de nuevo en el circuito una corriente cuya supresión antes de su anulación natural determina una repetición del proceso descrito, si bien con una menor corriente (fig. 3).

Figura 3

La ruptura definitiva no se produce hasta que el nivel teórico de sobretensión es inferior a la rigidez dieléctrica entre los contactos.

Resumiendo, podemos decir que los valores máximos de la tensión de restablecimiento y las frecuencias propias de los circuitos oscilantes dependen de las características propias de la red y del transformador, en tanto que el valor de la corriente de supresión del arco y los valores máximos de las tensiones de los circuitos dependen de las características constructivas y funcionales del interruptor.

Si se quiere limitar estas sobretensiones con objeto de que no rebasen los valores prescritos por algunas normas oficiales, es preciso intercalar unas resistencias de valores relativamente elevados entre los bornes de entrada y salida del interruptor automático. Estas resistencias, suelen ser del tipo dependiente de la tensión, como las que se utilizan en los pararrayos, siendo cortada la corriente que subsiste en el circuito a través de las mismas por un simple seccionador.

 

FUENTE:

Curso de aparamenta eléctrica (Manuel Cortes Cherta)

 

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