¿Cuáles son los tipos y características comunes de sobretensión en la red de distribución?

Las redes de distribución, caracterizadas por su amplia distribución, gran cantidad de equipos y bajo nivel de aislamiento, son propensas a accidentes de aislamiento causados por sobretensiones. Esto no solo reduce la estabilidad del sistema de distribución en su totalidad y el rendimiento del aislamiento de las líneas, sino que también tiene un impacto adverso significativo en la operación segura de la red eléctrica y el desarrollo sano y sostenible de la industria eléctrica.

Desde una perspectiva de circuito, aparte de la fuente de alimentación, el sistema de potencia puede representarse equivalentemente mediante diferentes combinaciones de tres componentes típicos: resistencia (R), inductancia (L) y capacitancia (C). Entre ellos, la inductancia (L) y la capacitancia (C) son componentes de almacenamiento de energía, que son las condiciones básicas para la formación de sobretensiones; la resistencia (R) es un componente consumidor de energía, que generalmente puede inhibir el desarrollo de sobretensiones. Sin embargo, en casos individuales, la adición inadecuada de resistencia también puede llevar a la ocurrencia de sobretensiones.

Tipos y Características Comunes de Sobretensión en Redes de Distribución

Los tipos comunes de sobretensión en redes de distribución incluyen principalmente sobretensión por arco intermitente a tierra, sobretensión por resonancia lineal y sobretensión por ferroresonancia (incluyendo sobretensión por resonancia de desconexión y sobretensión por saturación de PT).

Sobretensión por Arco Intermitente a Tierra

La sobretensión por arco intermitente a tierra es un tipo de sobretensión de conmutación. Su amplitud está relacionada con factores como las características del equipo eléctrico, la estructura del sistema, los parámetros de operación, la forma de operación o fallo, y tiene una obvia aleatoriedad. Es más común en redes eléctricas con punto neutro no efectivamente conectado a tierra.

La energía de la sobretensión de conmutación proviene del propio sistema de potencia, y su amplitud es aproximadamente proporcional al voltaje nominal del sistema. Se expresa generalmente en múltiplos de la amplitud máxima del voltaje de fase en operación del sistema. Cuando las operaciones o fallos causan cambios en el estado de trabajo de la red eléctrica, la energía magnética almacenada en los componentes inductivos se convertirá en la energía eléctrica de los componentes capacitivos en un momento determinado, lo que resulta en un proceso transitorio oscilatorio, generando así una sobretensión transitoria varias veces mayor que el voltaje de suministro, conocida como sobretensión de conmutación.

Los arcos intermitentes causan cambios repetitivos en el estado de operación de la red eléctrica, provocando oscilaciones electromagnéticas en los circuitos de inductancia y capacitancia, y luego ocurren procesos transitorios en la fase no defectuosa, la fase defectuosa y el punto neutro, resultando en sobretensión. Esto es sobretensión por arco intermitente a tierra (también conocida como sobretensión por arco a tierra). Su mecanismo de formación está estrechamente relacionado con la extinción y reencendido del arco: cada vez que la corriente de falla a tierra cruza naturalmente cero, el arco a tierra tendrá un breve tiempo de extinción; cuando el voltaje de recuperación del canal del arco sea mayor que su fuerza de recuperación dieléctrica, el arco se reencenderá. Específicamente:

• Cuando la corriente de aterrizaje es grande, el canal del arco está fuertemente ionizado y el arco quema de manera estable;

• Cuando la corriente es pequeña, la resistencia aislante del canal del arco se recupera rápidamente, el arco es difícil de reencender y la extinción temporal puede transformarse en extinción permanente;

• Cuando la corriente es moderada, se forma un fenómeno de aterrizaje de arco intermitente que se enciende y apaga.

La sobretensión severa por arco a tierra se debe a la acumulación continua de energía en la red. Desde la perspectiva de limitar la sobretensión, si la carga excesiva acumulada en la red durante el proceso de encendido a extinción del arco puede disiparse a través de la resistencia dentro de medio ciclo de frecuencia de línea después de la extinción del arco, el desplazamiento del voltaje del punto neutro será casi cero y no causará sobretensiones de alta amplitud.

Sobretensión por Resonancia Lineal

En la red eléctrica, la sobretensión generada por la resonancia en serie entre componentes inductivos sin núcleo de hierro (como la inductancia de línea, la inductancia de fuga del transformador, etc.) o componentes inductivos con núcleo de hierro cuyas características de excitación son casi lineales (como bobinas de supresión de arco, etc.) y componentes capacitivos en la red (como la capacitancia línea-tierra, etc.) bajo la acción de un voltaje asimétrico se llama sobretensión por resonancia lineal. Su forma más común es el desplazamiento del voltaje del punto neutro.

Según la norma industrial DL/T620-1997 "Protección contra Sobretensiones y Coordinación de Aislamiento de Dispositivos Eléctricos de Corriente Alterna", en el sistema de tierra con bobina de supresión de arco, en condiciones de operación normales, el desplazamiento de voltaje del punto neutro a largo plazo no debe exceder el 15% del voltaje nominal de fase del sistema.

Sobretensión por Ferroresonancia

En el circuito de oscilación del sistema de potencia, la sobretensión persistente de alta amplitud excitada por la saturación de la inductancia de núcleo de hierro se llama sobretensión por ferroresonancia. Hay dos sobretensiones por ferroresonancia típicas en redes de distribución de 35 kV y menos, a saber, la sobretensión causada por la resonancia de desconexión y la sobretensión causada por la saturación de PT, colectivamente conocidas como sobretensión por resonancia no lineal. Tiene características y propiedades completamente diferentes a la sobretensión por resonancia lineal y la sobretensión por arco intermitente a tierra. Bajo diferentes combinaciones de parámetros, pueden ocurrir sobretensiones por resonancia de frecuencia fundamental, submúltiple y alta frecuencia.

• Sobretensión por Resonancia de Desconexión: Cuando el sistema opera en no-fase completa debido a la rotura de cables, acción no-fase completa de interruptores, operación asincrónica severa, fusión de uno o dos fusibles de alta tensión, etc., la sobretensión por ferroresonancia generada es la sobretensión por resonancia de desconexión. Cuando ocurre una desconexión, el potencial simétrico trifásico generalmente suministra energía a cargas trifásicas asimétricas, y el circuito es complejo y contiene componentes no lineales. Por lo tanto, es necesario usar el teorema de Thevenin y el método de componentes simétricos para convertir el circuito trifásico en un circuito equivalente monofásico, ordenarlo en el circuito en serie LC más simple, y luego analizar las condiciones de resonancia y realizar cálculos y análisis. Hay tres formas de fallas de desconexión de un cable: desconexión sin aterrizaje, desconexión con aterrizaje del lado de potencia y desconexión con aterrizaje del lado de carga.

• Sobretensión por Saturación de PT: En el sistema con punto neutro no efectivamente conectado a tierra, generalmente se instalan transformadores de voltaje electromagnéticos (PT) conectados en Y0 en los buses de centrales eléctricas y subestaciones para monitorear las condiciones de aislamiento. Durante la operación normal, la impedancia de excitación del transformador de voltaje electromagnético es muy alta, por lo que la impedancia a tierra de la red es capacitiva y las tres fases están básicamente equilibradas. Sin embargo, después de algunas operaciones de conmutación o la desaparición de fallos a tierra, formará un circuito de resonancia especial trifásico o monofásico con la capacitancia de línea o la capacitancia parasitaria de otros equipos, y puede excitar sobretensiones por ferroresonancia de varios armónicos, lo que se llama sobretensión por saturación de PT. Entre ellas, la sobretensión por resonancia de submúltiples es la más dañina. Causará un aumento significativo en la corriente de excitación durante mucho tiempo, quemará el fusible del transformador e incluso puede causar un calentamiento grave del transformador, emisión de aceite o incluso explosión. Además, la sobretensión por saturación del transformador de voltaje tiene características de secuencia cero evidentes.

Sobretensión por Rayo

El descarga de rayo es esencialmente un fenómeno de descarga no chispa en un campo eléctrico extremadamente inhomogéneo con un espacio aéreo ultra-largo. Su proceso básico incluye la descarga de punta, la descarga principal y la descarga de resplandor. Cada corriente de rayo formada por rayos de polaridad negativa tiene una forma de onda de pulso unipolar. Los parámetros principales que describen la forma de onda de pulso son el valor pico, el tiempo de frente de onda y el tiempo de media altura.

La sobretensión por rayo se divide en sobretensión por rayo directo y sobretensión por rayo inducido. Entre ellos, la sobretensión por rayo inducido incluye la inducción electrostática (principalmente) y la inducción electromagnética, con las siguientes características:

• La polaridad es opuesta a la del nubarrón, es decir, opuesta a la polaridad de la corriente de rayo;

• Aparece simultáneamente en las tres fases con valores básicamente iguales, y no habrá diferencia de potencial entre fases ni flashover entre fases;

• Si la amplitud es grande, puede causar flashover a tierra;

• La forma de onda es más plana y larga que la de la sobretensión por rayo directo;

• Si hay una línea de protección contra rayos a tierra sobre el cable, la sobretensión inducida en el cable se reducirá debido al efecto de blindaje electromagnético. Cuanto menor sea la distancia entre las líneas, mayor será el coeficiente de acoplamiento y menor será la sobretensión inducida en el cable.

Generalmente, no se instalan líneas de protección contra rayos a lo largo de toda la línea para redes de distribución de 35 kV y menos, y solo se establecen 1-2 km de líneas de protección contra rayos en la entrada y salida de subestaciones como protección de la sección de entrada de línea.