DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA SOBRETENSIONES EN LOS TRANSFORMADORES

Transcripción

1 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA SOBRETENSIONES EN LOS TRANSFORMADORES Miguel Ángel Roríguez Pozueta

2 .- Onas e sobretensión En este capítulo se van a estuiar los efectos que tienen las sobretensiones sobre los transformaores. Aunque cualquier aumento e la tensión sobre la máxima e servicio se puee enominar sobretensión, aquí se va a tratar e las sobretensiones que aparecen en forma e impulsos cortos y aislaos. Las sobretensiones e este tipo se pueen proucir por iversas causas: conexión y esconexión e interruptores, variaciones bruscas e carga, cortocircuitos,...; pero las más peligrosas suelen ser las proucias por escargas atmosféricas, bien por caía irecta e un rayo sobre una línea, o bien, por las tensiones inucias por los rayos sobre las líneas. Cuano un rayo cae sobre una línea aparecen os onas e sobretensión que circulan hacia ambos laos el punto e caía con una velocia cercana a la e la luz. La forma e estas onas viajeras presenta un frente escarpao, con una rápia subia hasta el valor máximo V m0 e la sobretensión, seguia e una bajaa mucho más lenta e la tensión hasta los valores normales e servicio (véase la ona ibujaa a la izquiera en la Fig. ). V m0 V m Autoválvula Transformaor Fig. : Efecto e una autoválvula sobre una ona e sobretensión Para proteger a las instalaciones el efecto e estas sobretensiones se utilizan escargaores y autoválvulas. En la Fig. se muestra cómo una autoválvula limita el efecto e una ona e sobretensión sobre un transformaor. Se coloca una autoválvula entre caa una e las fases e la línea y tierra. A la tensión normal e servicio la autoválvula se comporta como un circuito abierto y no pasa corriente por ella. Cuano la tensión supera un valor prefijao la autoválvula se vuelve conuctora con lo que se escarga a tierra la mayor parte e la energía e la ona e sobretensión. Dicho e otra manera, al volverse conuctora la autoválvula tiene a reucir la tensión e la línea con respecto a tierra. Cuano se acaba la sobretensión la autoválvula se esceba y se vuelve a convertir en aislante. De esta manera la ona e tensión que llega al transformaor tiene un valor máximo V m limitao por la autoválvula y que es menor que el e la ona original V m0. Debio a fenómenos e reflexión e las onas e sobretensión, las autoválvulas se eben situar cerca el elemento a proteger para que sean eficaces. --

3 Por lo tanto, una vez que la ona e sobretensión ha queao limitaa por la autoválvula, el movimiento e esta ona hacia el transformaor hace que el evanao que está conectao a la línea vea variar su tensión e la forma representaa en la Fig. 2. La tensión el evanao aumenta rápiamente, en unos,2 µs, hasta el valor máximo V m y luego isminuye lentamente, e forma que a los 50 µs se reuce hasta un valor igual a la mita el máximo. V m 0,5 V m,2 50 µs Fig. 2: Forma típica e la sobretensión proucia por un rayo Evientemente habrá que iseñar el transformaor para que sea capaz e resistir esta tensión sin que se eteriore. 2.- Efectos e las sobretensiones sobre un transformaor En este apartao se va a estuiar el caso e sobretensiones en un transformaor con un solo evanao e alta tensión, cuyo borne A está conectao a la línea por one le llega la sobretensión y el otro borne X (el neutro) está conectao a tierra o aislao. El estuio el comportamiento el transformaor frente a estas sobretensiones es bastante complejo por lo que aquí sólo se ará una visión aproximaa el mismo, suficiente para comprener los aspectos más esenciales e lo que sucee. Durante los primeros momentos e la tensión e la Fig. 2, en los que ésta aumenta rápiamente e 0 a V m, se puee consierar que sigue aproximaamente una ley sinusoial (la cual continuaría según la línea e trazos ibujaa en la Fig. 2), cuyo cuarto e períoo (T/4) se correspone con el tiempo e,2 µs en que tara en alcanzar el valor máximo. Es ecir, urante los primeros,2 µs la sobretensión (Fig. 2) a la que se ve sometio el evanao e alta tensión el transformaor es sinusoial con una frecuencia: -2-

4 f T 4 ( T / 4) 4, , Hz A frecuencias tan elevaas no se puee utilizar el circuito equivalente clásico el transformaor. En efecto, existen una serie e capaciaes entre las bobinas el evanao y entre éstas y las piezas el transformaor conectaas a tierra (carcasa, núcleo, ) que a la frecuencia inustrial (50 Hz) son totalmente espreciables, pero que a frecuencias altas an lugar a unas reactancias lo suficientemente pequeñas como para que circulen por ellas corrientes apreciables y se eban tener en cuenta. En la Fig. 3 se muestra el circuito equivalente el evanao e A.T. el transformaor si se tienen en cuenta estas capaciaes y se esprecia la resistencia el evanao. En este circuito equivalente L son las inuctancias e las bobinas el evanao, C son las capaciaes entre bobinas y C q son las capaciaes entre las bobinas y tierra. V q q q q q Fig. 3: Circuito equivalente e un evanao el transformaor incluyeno sus capaciaes y espreciano la resistencia Si el número e bobinas el evanao es n, su capacia longituinal total C vale C n y la capacia transversal total C q vale C q q n q Se enominará α a este parámetro: α C q C n q Supóngase que el neutro X está unio a tierra y que no existieran las capaciaes e las bobinas respecto a tierra (C q 0), lo cual significa que el parámetro α es nulo (α 0). Dao que para frecuencias altas las reactancias inuctivas son muy elevaas y se pueen espreciar, -3-

5 se tiene que en este caso el bobinao e A.T. el transformaor se comporta como un conjunto e capaciaes iguales conectaas en serie entre la línea y tierra. Por consiguiente, circulará la misma corriente por toas las bobinas y se tiene una istribución uniforme e la tensión. Esto está representao en la Fig. 4a one en el eje vertical se inica la tensión y en el eje horizontal se inican los puntos el evanao e alta tensión ese el borne A (one x/l ) hasta el borne X (one x/l 0). Supóngase ahora que el neutro X sigue unio a tierra y que no existieran las capaciaes entre bobinas (C 0), lo cual significa que el parámetro α es infinito (α ). En este caso, la corriente circularía e la línea a tierra sólo a través e la primera bobina y toa la tensión que llega por la línea será soportaa íntegramente por esta bobina. Esta situación se representa en la Fig. 4a meiante una línea que consta e os trazos rectos, uno vertical y otro horizontal, que pasan por el punto A (por lo tanto, estos trazos coincien con los ejes e coorenaas). Para valores intermeios el parámetro α (entre cero e infinito) se obtienen istribuciones e la tensión comprenias entre estos os extremos (ver la Fig. 4a). En la Fig. 4b se muestran cómo son las istribuciones e la tensión urantes estos primeros,2 µs e la sobretensión para iferentes valores e α, cuano el neutro X el evanao e A.T. está aislao e tierra. En este caso e neutro aislao, si el parámetro α es nulo (α 0) el evanao está completamente aislao e tierra y no circulará corriente por él. No existe, entonces, ninguna caía e tensión y toos los puntos el evanao están a la misma tensión. Esto se representa en la gráfica e la Fig. 4b meiante una recta horizontal e orenaa v/v m igual a. Si el parámetro α tiene valor infinito (α ) pasa lo mismo que cuano el neutro X está conectao a tierra y toa la tensión es soportaa íntegramente por la primera bobina el evanao. a) b) Fig. 4: Distribución e la tensión en el instante inicial e la sobretensión: a: con el neutro unio a tierra b: con el neutro aislao e tierra -4-

6 Una vez pasaos los primeros,2 µs la tensión varía muy lentamente, con lo cual el reparto e tensión a lo largo el evanao ahora es prácticamente similar al que se obtenría si se aplicara una tensión continua. Así, si el neutro X está unio a tierra la istribución final e la tensión a lugar a un reparto uniforme e ésta entre toas las bobinas el evanao; es ecir, se obtiene una istribución similar a la corresponiente al perioo inicial cuano el parámetro α es nulo (α 0). Si el neutro X está aislao, al final toas las bobinas el evanao tienen el mismo potencial, lo cual también se correspone a la istribución inicial que se obtiene cuano el parámetro α es nulo (véase la Fig. 4b). Evientemente, la transición entre la istribución e tensiones inicial (en los primeros,2 µs) y la istribución final se prouce a través e un proceso transitorio. Puesto que el circuito equivalente el evanao (Fig. 3) incluye capaciaes e inuctancias que forman un circuito oscilante, este transitorio incluirá oscilaciones que serán tanto más importantes cuanto más iferentes sean las istribuciones e tensión inicial y final. Por lo tanto, para minimizar los efectos peligrosos e estas oscilaciones y reucirlas too lo posible interesa que las istribuciones e tensión inicial y final sean lo más similares posible. Es ecir, conviene construir el evanao e forma que el parámetro α sea lo más pequeño posible. Sin embargo, para reucir el valor el parámetro α; es ecir, para minimizar las capaciaes a tierra C q, sería preciso aumentar mucho las istancias entre el evanao y las piezas conectaas a tierra, lo cual no resulta práctico. Lo que se hace en los transformaores e tensiones inferiores a 0 kv es reforzar el aislamiento e las bobinas extremas que son las que, como se ha visto, soportan la mayor parte e las sobretensiones cuano el parámetro α no es pequeño. Para transformaores e tensiones iguales o superiores a 0 kv, aemás e reforzar el aislamiento e las bobinas extremas, se colocan unas pantallas electrostáticas que se conectan a la línea (borne A el evanao). Estas pantallas suelen tener la forma e anillos aislaos abiertos (para que no se comporten como espiras en cortocircuito) que roean el evanao. Meiante el empleo e estas pantallas se consigue que la istribución inicial e tensiones se aproxime a la corresponiente a un valor nulo el parámetro α (α 0). Bibiliografía [] IVANOV-SMOLENSKI. Máquinas eléctricas. Tomo 2. Eitorial Mir. Moscú [2] KOSTENKO y PIOTROVSKI. Máquinas eléctricas. Tomo II. E. Mir. Moscú , Miguel Angel Roríguez Pozueta Universia e Cantabria (España) Departamento e Ingeniería Eléctrica y Energética Está permitia la reproucción total o parcial e este ocumento con la conición inexcusable e citar su proceencia y su carácter gratuito. Este ocumento puee escargarse gratuitamente ese esta Web: -5-