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miércoles, 16 de noviembre de 2016

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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