Sobretensión en redes eléctricas

La sobretensión es una tensión que supera la amplitud de la tensión máxima de funcionamiento (Unom) sobre el aislamiento de los elementos de la red eléctrica. Según el lugar de aplicación, se distinguen las sobretensiones de fase, interfase, devanados internos y entre contactos. Estos últimos ocurren cuando se aplica voltaje entre contactos abiertos de las mismas fases de los dispositivos de conmutación (interruptores, seccionadores).

Se distinguen las siguientes características de sobretensión:

• valor máximo Umax o multiplicidad K = Umax / Unom;

• duración de exposición;

• forma curva;

• el ancho de alcance de los elementos de la red.

Estas características están sujetas a dispersión estadística porque dependen de muchos factores.

Al estudiar la viabilidad de las medidas de protección contra sobretensiones y la elección del aislamiento, es necesario tener en cuenta las características estadísticas del daño (desviación y expectativa matemática) debido al tiempo de inactividad y las reparaciones de emergencia de los equipos del sistema de energía, así como debido a la falla del equipo. , rechazo del producto y disrupción del proceso tecnológico entre los consumidores de electricidad.

Los principales tipos de sobretensiones en las redes de alta tensión se muestran en la Figura 1.

Arroz. 1. Los principales tipos de sobretensiones en las redes de alta tensión

Sobretensión interna provocada por fluctuaciones en la energía electromagnética almacenada en los elementos del circuito eléctrico o suministrada al mismo por los generadores. Dependiendo de las condiciones de ocurrencia y la posible duración de la exposición al aislamiento, se distinguen sobretensiones estacionarias, cuasiestacionarias y de conmutación.

Sobretensiones de maniobra — Ocurren durante cambios repentinos en los parámetros del circuito o de la red (interrupciones planificadas y de emergencia de líneas, transformadores, etc.), así como también como resultado de fallas a tierra y entre fases. Cuando los elementos de la red eléctrica (conductores de línea o devanados de transformadores y reactores) se encienden o se apagan (interrupción de la transmisión de energía), se producen transitorios oscilatorios, que pueden dar lugar a sobretensiones importantes. Cuando se produce corona, las pérdidas tienen un efecto amortiguador sobre los primeros picos de estas sobretensiones.

La interrupción de las corrientes capacitivas de los circuitos eléctricos puede ir acompañada de arcos repetidos en el interruptor automático y transitorios y sobretensiones repetidos y disparos de pequeñas corrientes inductivas a velocidad de ralentí de los transformadores: interrupción forzada del arco en el interruptor automático y transición oscilatoria de la energía. del campo magnético del transformador en la energía del campo eléctrico de sus potencias paralelas. Con fallas a tierra de arco en una red con un neutro aislado También se observan múltiples golpes de arco y la ocurrencia de las correspondientes oleadas de arco.

La razón principal de la ocurrencia de sobretensiones cuasiestacionarias es el efecto capacitivo causado, por ejemplo, por una línea de transmisión de un solo extremo alimentada por generadores.

Los modos de línea asimétrica que ocurren, por ejemplo, cuando una fase tiene un cortocircuito a tierra, una rotura de cable, una o dos fases del interruptor automático, pueden causar que el voltaje de frecuencia fundamental aumente aún más o causar sobretensiones en algunos armónicos más altos, múltiplos de la frecuencia. del generador EMF….

Cualquier elemento del sistema con características no lineales, por ejemplo un transformador con un núcleo magnético saturado, también puede ser una fuente de armónicos mayores o menores y las correspondientes sobretensiones ferroresonantes. Si hay una fuente de energía mecánica que cambia periódicamente el parámetro del circuito (inductancia del generador) en el tiempo con la frecuencia natural del circuito eléctrico, puede ocurrir una resonancia paramétrica.

En algunos casos, también es necesario tener en cuenta la posibilidad de que se produzcan sobretensiones internas con mayor multiplicidad cuando se imponen varias conmutaciones u otros factores desfavorables.

Para limitar las sobretensiones de maniobra en redes de 330-750 kV, donde el coste del aislamiento resulta especialmente importante, potente limitadores de válvula o reactores. En redes con clases de tensión inferiores, no se utilizan pararrayos para limitar las sobretensiones internas, y se eligen las características de los pararrayos para que no disparen ante sobretensiones internas.

Las sobretensiones por rayos se refieren a sobretensiones externas y ocurren cuando se exponen a fem externas. Las sobretensiones de rayos más grandes ocurren cuando cae un rayo directo en la línea y la subestación. Debido a la inducción electromagnética, la caída de un rayo cercano crea una sobretensión inducida, que generalmente resulta en un aumento adicional en el voltaje de aislamiento. Llegar a una subestación o máquina eléctrica, extendiéndose desde el punto de derrota ondas electromagnéticas, pueden provocar sobretensiones peligrosas en su aislamiento.

Para garantizar un funcionamiento fiable de la red, es necesario implementar su protección contra rayos eficaz y económica. La protección contra rayos directos se realiza con la ayuda de un alto pararrayos vertical y cables de protección contra rayos por encima de los conductores de líneas aéreas por encima de 110 kV.

La protección contra sobretensiones provenientes de la línea se realiza mediante descargadores de válvulas y tuberías de subestaciones con protección mejorada contra rayos en los accesos a las subestaciones en líneas de todas las clases de voltaje.Es necesario proporcionar una protección contra rayos especialmente fiable de las máquinas giratorias con la ayuda de pararrayos especiales, condensadores, reactores, insertos de cables y una protección contra rayos mejorada para el acceso a la línea aérea.

El uso de la puesta a tierra de la parte neutra de la red mediante una bobina de supresión de arco, el reenganche y acortamiento automático de las líneas, la prevención cuidadosa del aislamiento, las paradas y la puesta a tierra aumentan considerablemente la fiabilidad de las líneas.

Cabe señalar que la rigidez dieléctrica del aislamiento disminuye al aumentar la duración de la exposición al voltaje. En este sentido, sobretensiones internas y externas de la misma amplitud presentan un peligro diferente para el aislamiento. Por lo tanto, el nivel de aislamiento no puede caracterizarse por un único valor de tensión soportada.

Selección del nivel de aislamiento requerido, es decir, La selección de los voltajes de prueba, la llamada coordinación de aislamiento, es imposible sin un análisis completo de los sobrevoltajes que ocurren en el sistema.

El problema de la coordinación del aislamiento es uno de los principales problemas. Esta situación se debe a que la utilización de una u otra tensión nominal viene determinada en última instancia por la relación entre el coste del aislamiento y el coste de los elementos conductores del sistema.

El problema de la coordinación del aislamiento incluye como tarea básica: establecer los niveles de aislamiento del sistema... La coordinación del aislamiento debe basarse en las amplitudes y formas de onda especificadas de las sobretensiones aplicadas.

Actualmente, la coordinación de aislamiento en el sistema hasta 220 kV se realiza para sobretensiones atmosféricas, y por encima de 220 kV se debe realizar la coordinación teniendo en cuenta las sobretensiones internas.

La esencia de la coordinación del aislamiento en las sobretensiones atmosféricas es la coordinación (coincidencia) de las características de impulso del aislamiento con las características de las válvulas, como dispositivo principal para limitar las sobretensiones atmosféricas. Según el estudio, se adopta la onda estándar de la tensión de prueba.

A la hora de coordinar sobretensiones internas, debido a la mayor variedad de formas de desarrollo de las sobretensiones internas, es imposible centrarse en el uso de un único dispositivo de protección. El esquema de la red debe proporcionar la brevedad necesaria: reactores de derivación, uso de interruptores sin reencendido, uso de vías de chispas especiales.

Para sobretensiones internas, la normalización de las formas de onda de prueba de aislamiento no se ha llevado a cabo hasta hace poco tiempo. Ya se ha acumulado mucho material y es probable que se lleve a cabo una normalización correspondiente de las ondas de prueba en un futuro próximo.