Aparte de sus aplicaciones en los circuitos de
alta frecuencia,
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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)
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