Entrada destacada de hoy

Consideraciones sobre las limitaciones de los análisis termográficos

domingo, 17 de noviembre de 2019

Aparamenta de Subestación: Bobinas de impedancia



Aparte de sus aplicaciones en los circuitos de alta frecuencia,

Ver posts:

Protección por sistema de onda portadora o carrier (Parte 1ª)
Protección por sistema de onda portadora o carrier (Parte 2ª)

las bobinas de impedancia, en distintas formas, tienen también multitud de usos en las redes industriales de baja frecuencia.

Entre otras citaremos las siguientes:

1.° Bobinas de impedancia para la protección contra sobretensiones:

Como bobinas donde se reflejan las ondas de frente escarpado, procedentes de la línea, evitando su llegada o atenuando el efecto de las mismas sobre los devanados de las máquinas y transformadores (figura 1a). La energía de la onda vagabunda se disipa en los conductores de la línea misma o a través del arco de descarga en los pararrayos. Son de temer en algunos casos la producción de oscilaciones. Se construyen con núcleo de aire para que el flujo se mantenga a la frecuencia elevada que representa el frente de la onda.


Figura 1. Bobinas de reactancia para la protección contra las ondas de frente brusco. 
a. Montaje. b. Un tipo de construcción

Van en serie con la línea, y para que no introduzcan sensibles caídas de tensión en servicio normal, el coeficiente de autoinducción debe ser muy pequeño: por ejemplo,  0,1 milihenrio en líneas de 10 kV, ó 0,8 milihenrios en las de 100 kV. La figura 1b muestra una de estas bobinas instalada en una torre de alta tensión.

ABB también instala estas bobinas de impedancia en los aisladores de los transformadores de distribución, lo que les proporciona una mayor protección frente a transitorios con valores de dV/dt elevados que puedan llegar a los devanados.


Figura 2: a) Concepto de un dispositivo en serie que protege el transformador de distribución
frente a dV/dt elevadas. b) Borna de transformador ABB con filtro SmartChoke integrado

Los parámetros de la bobina de impedancia encapsulada en el aislador pasante del transformador relleno de epoxi se eligen de forma que se pueda utilizar el mismo aislador para proteger todos los tamaños típicos de transformadores de distribución que trabajen en subestaciones montadas en postes en redes de distribución.


Figura 3: Transformador resistente frente a valores de dV/dT elevados protegido con SmartChoke de ABB

La utilización de una bobina de impedancia aguas arriba del equipo que se desea proteger se ha mostrado como una alternativa interesante a la realización de un nuevo diseño completo del mismo equipo. Aunque las bobinas de impedancia reducen el valor de dV/dt y también el valor de pico de la onda de frente cortada, hay que señalar que la función principal del dispositivo de protección es reducir el valor dV/dt de un transitorio producido por una sobretensión causada por un rayo. Por lo tanto, es complementaria de la protección contra sobretensiones estándar proporcionada, por ejemplo, por descargadores o supresores de óxido metálico.


Figura 4: Comparación ABB entre distintos escenarios de protección contra sobretensiones atmosféricas

2.° Bobinas de impedancia para protección contra cargas estáticas:

Como bobinas de gran reactancia, derivadas entre los conductores de línea y tierra, generalmente en serie con resistencias amortiguadoras (figura 5). Son meros autotransformadores de núcleo magnético, en aceite, y relación 1/1, una veces independientes y otras con núcleo de columnas trifásico. Empleando la última disposición, más económica, y al objeto de evitar que en el caso de tomar tierra uno de los conductores activos la corriente de corto circuito Icc, tenga carácter magnetizante, que elevaría la tensión de los devanados correspondientes a las otras dos fases hasta un valor cerca del de la tensión de línea, se adopta la conexión zigzag. Dicha corriente Icc, se distribuye así entre las tres fases y las f. m. m. de cada media columna, y se opone a la de la otra mitad, como muestra la figura 5. 



Figura 5: Bobina de puesta a tierra


Los devanados deben preverse para soportar la intensidad eficaz máxima posible Icc/3 durante un tiempo que varía de 30 a 60 segundos.

Las resistencias amortiguadoras pueden colocarse también entre la línea y los devanados de la bobina de impedancia. Deben identificarse con estas bobinas, las que se proveen para puesta a tierra de los circuitos o líneas sin neutro físico.

3.° Bobinas de choque para la protección contra cortocircuitos.

Cuando la impedancia de los transformadores en caso de cortocircuito es muy baja, llegan a provocarse corrientes tan intensas que, especialmente por sus efectos mecánicos, son destructoras para los devanados, aparte del encarecimiento y fácil deterioro que producen en los interruptores automáticos de protección. Al objeto de disminuir tales riesgos e inconvenientes, se complementa la impedancia propia del transformador, añadiendo, en serie con la línea, bobinas de choque (figura 6) capaces de limitar la tensión de corto circuito del conjunto hasta límites más aceptables (un 8 ó 10 % y aún más en algunas instalaciones, según las condiciones económicas, el sistema de construcción de los transformadores e interruptores, y los medios de que se disponga para compensar la variación del voltaje con la carga en funcionamiento normal). Algunos servicios, hornos de arco, por ejemplo, originan cortos circuitos momentáneos tan frecuentes que es necesario proveer caídas hasta de un 33 % para asegurarse incluso contra el calentamiento excesivo de los devanados. 


Figura 6: Bobina de choque limitadora de cortocircuitos en un transformador

Estas bobinas, no suelen llevar núcleos magnéticos o, en todo caso, se disponen amplios entrehierros que impidan la saturación del circuito recorrido por el flujo. Van montadas al aire o en aceite, y a veces dentro de la misma caja del transformador, como elemento independiente o con el núcleo, a modo de prolongación del núcleo del transformador.

En las bobinas con núcleo de aire sumergidas en aceite, el circuito magnético se cierra en parte por la cuba metálica del transformador, lo que añade pérdidas en ocasiones considerables y disminuye a la vez la impedancia prevista. El cálculo siquiera aproximado de estas influencias es imposible, debiendo atenerse para ello a la experiencia adquirida en construcciones anteriores.

Cuando el aceite se refrigera por circulación de agua mediante un serpentín de cobre instalado en la parte superior de la cuba, se aprovecha el circuito eléctrico del serpentín al objeto de localizar en él las pérdidas, y entonces pueden llegar a evaluarse dentro de ciertos límites la cuantía de ellas y el efecto de estas « espiras de sombra » sobre la impedancia de la bobina.

4.° Bobinas Petersen.

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.

Las bobinas se instalan entre el centro de la estrella del transformador y la toma de tierra (figura 7), y su reactancia se halla casi sincronizada con la capacitancia, respecto a tierra, de los conductores de la línea. El coeficiente de autoinducción L en henrios debe ser aproximadamente tal que: 


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

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.

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.


Figura 7: Bobina Petersen

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.

5ª Bobinas de reactancia limitadoras de intensidad. Ejemplo de cálculo

Ver post: 





FUENTE:

Sobrevivir a un rayo (Revista ABB 1/11)


POST RELACIONADO:


















No hay comentarios:

Publicar un comentario