Protección contra sobretensiones
Siempre existe la posibilidad de que un sistema de energía eléctrica sufra sobretensiones anormales. Estas sobretensiones anormales pueden ser causadas por diversas razones, como la interrupción repentina de una carga pesada, impulsos de rayos, impulsos de conmutación, etc. Estos estrés por sobretensión pueden dañar la aislación de diversos equipos e aisladores del sistema de potencia. Aunque no todos los estrés por sobretensión son lo suficientemente fuertes como para dañar la aislación del sistema, aún así, estas sobretensiones deben evitarse para garantizar el funcionamiento sin problemas del sistema de energía eléctrica.
Todos estos tipos de sobretensiones anormales, destructivas y no destructivas, se eliminan del sistema mediante la protección contra sobretensiones.
Sobretensión
Los estrés por sobretensión aplicados al sistema de potencia, generalmente son transitorios. La tensión transitoria o sobretensión se define como un aumento súbito de la tensión a un pico muy alto en un período muy corto.
Las sobretensiones son transitorias, lo que significa que existen durante un período muy corto. La causa principal de estas sobretensiones en el sistema de potencia son los impulsos de rayos y los impulsos de conmutación del sistema. Sin embargo, las sobretensiones en el sistema de potencia también pueden ser causadas por fallos de aislamiento, arco a tierra y resonancia, entre otros.
Las sobretensiones que aparecen en el sistema de energía eléctrica debido a los impulsos de conmutación, fallos de aislamiento, arcos a tierra y resonancia no son muy grandes en magnitud. Estas sobretensiones apenas superan el doble del nivel de tensión normal. Generalmente, un aislamiento adecuado de los diferentes equipos del sistema de potencia es suficiente para prevenir cualquier daño debido a estas sobretensiones. Sin embargo, las sobretensiones que ocurren en el sistema de potencia debido a los rayos son muy altas. Si no se proporciona protección contra sobretensiones al sistema de potencia, hay una alta probabilidad de daños severos. Por lo tanto, todos los dispositivos de protección contra sobretensiones utilizados en el sistema de potencia se usan principalmente debido a los impulsos de rayos.
Vamos a discutir las diferentes causas de las sobretensiones una por una.
Impulso de Conmutación o Sobretensión de Conmutación
Cuando una línea de transmisión sin carga se conecta de repente, la tensión en la línea se duplica respecto a la tensión normal del sistema. Esta tensión es transitoria. Cuando una línea cargada se desconecta o interrumpe de repente, la tensión a través de la línea también se vuelve lo suficientemente alta. El corte de corriente en el sistema, principalmente durante la operación de apertura de un interruptor de circuito de aire a presión, causa sobretensiones en el sistema. Durante un fallo de aislamiento, un conductor vivo se tierra de repente. Esto también puede causar una sobretensión repentina en el sistema.
Si la onda electromotriz producida por el alternador está distorsionada, puede ocurrir el problema de resonancia debido a armónicos de 5º o superiores. En realidad, para frecuencias de armónicos de 5º o superiores, se presenta una situación crítica en el sistema en la que la reactancia inductiva del sistema se vuelve exactamente igual a la reactancia capacitiva del sistema. Como estas dos reactancias se cancelan entre sí, el sistema se vuelve puramente resistivo. Este fenómeno se llama resonancia y, en resonancia, la tensión del sistema puede aumentar considerablemente.
Pero todas estas razones mencionadas anteriormente crean sobretensiones en el sistema que no son muy altas en magnitud.
Pero las sobretensiones que aparecen en el sistema debido a los impulsos de rayos son muy altas en amplitud y altamente destructivas. El efecto del impulso de rayo, por lo tanto, debe evitarse para la protección contra sobretensiones del sistema de potencia.
Métodos de Protección contra Rayos
Estos son principalmente tres métodos principales generalmente utilizados para la protección contra rayos. Son:
Pantalla de tierra.
Cable de tierra aéreo.
Pararrayos o divisores de sobretensión.
Pantalla de Tierra
La pantalla de tierra se utiliza generalmente sobre subestaciones eléctricas. En este arreglo, se monta una red de alambre de acero galvanizado (GI) sobre la subestación. Los alambres de GI, utilizados para la pantalla de tierra, están correctamente conectados a tierra a través de diferentes estructuras de la subestación. Esta red de alambre de GI conectado a tierra sobre la subestación, proporciona un camino de baja resistencia a tierra para los golpes de rayo.
Este método de protección contra altas tensiones es muy simple y económico, pero su principal inconveniente es que no puede proteger el sistema de las ondas viajeras, que pueden llegar a la subestación a través de diferentes alimentadores.
Cable de Tierra Aéreo
Este método de protección contra sobretensiones es similar a la pantalla de tierra. La única diferencia es que una pantalla de tierra se coloca sobre una subestación eléctrica, mientras que, el cable de tierra aéreo se coloca sobre la red de transmisión eléctrica. Uno o dos alambres de GI trenzados de sección adecuada se colocan sobre los conductores de transmisión. Estos alambres de GI están correctamente conectados a tierra en cada torre de transmisión. Estos cables de tierra aéreos o cables de tierra desvían todos los golpes de rayo a la tierra en lugar de permitir que impacten directamente en los conductores de transmisión.
Pararrayos
Los dos métodos anteriormente discutidos, es decir, la pantalla de tierra y el cable de tierra aéreo, son muy adecuados para proteger un sistema de energía eléctrica de los golpes de rayo directos, pero estos métodos no pueden proporcionar ninguna protección contra las ondas viajeras de alta tensión que pueden propagarse a través de la línea hasta el equipo de la subestación.
El pararrayos es un dispositivo que proporciona un camino de baja impedancia a tierra para las ondas viajeras de alta tensión.
El concepto de un pararrayos es muy simple. Este dispositivo se comporta como una resistencia eléctrica no lineal. La resistencia disminuye a medida que la tensión aumenta y viceversa, después de cierto nivel de tensión.
Las funciones de un pararrayos o divisor de sobretensión se pueden listar a continuación.
A nivel de tensión normal, estos dispositivos soportan fácilmente la tensión del sistema como aislador eléctrico y no proporcionan ningún camino conductor para la corriente del sistema.
En caso de surgir una sobretensión en el sistema, estos dispositivos proporcionan un camino de baja impedancia para la carga excesiva de la sobretensión a tierra.
Después de conducir la carga de la sobretensión a tierra, la tensión vuelve a su nivel normal. Entonces, el pararrayos recupera su aislamiento adecuadamente y previene la conducción adicional de corriente a tierra.
Existen diferentes tipos de pararrayos utilizados en sistemas de potencia, como el pararrayos de hendidura, el pararrayos de cuerno, el pararrayos multihendidura, el pararrayos de expulsión, el pararrayos de válvula.
Aemás de estos, el pararrayos más comúnmente utilizado para la protección contra sobretensiones en la actualidad es el pararrayos de ZnO sin brecha.
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