8a. sobretensiones

SOBRETENSIONES
TRANSITORIAS

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SOBRETENSIONES TRANSITORIAS
(Voltaje Surge - Transient Overvoltages)
Transitorio. Término es a veces mal traducido como
“transientes” .
• El termino ha sido usado muy ampliamente, por
ejemplo:
- Denotar un evento indeseable y momentáneo.
- Fenómeno oscilatorio de corta duración, tal
como el que produce un circuito RLC.

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- Cambio de una variable eléctrica que se presenta
durante la transición entre dos condiciones de
operación de estado estable.

- En ocasiones se utiliza la palabra “surge” (impulso)
como sinónimo de “ transient” (transitorio).

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Ingenieros de Electrificadoras lo utilizan muy
usualmente asociados a los fenómenos que
producen las descargas atmosféricas.

Ingenieros de Plantas Industriales , lo utilizan
para denotar cualquier fenómeno inusual que
se presente sobre el sistema, desde huecos
de tensión hasta sobretensiones.

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Transitorio Oscilatorio Transitorio tipo
(Oscillatory transient) Impulso (impulsive
transient)

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TRANSITORIO TIPO IMPULSO
Es un cambio súbito en voltaje , corriente o ambos a
frecuencia no nominal.
• Unidireccional en polaridad a partir de una condición
de estado estacionario.
• Están determinados por los tiempos de subida y
bajada.

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Por ejemplo, un impulso transitorio de 1.2 x 50 µs
2000 V, significa que el impulso alcanza los 2000 V en
1.2 µs y que decae a la mitad de su valor pico (1000 V)
en 50 µs.
Un impulso típico es el que producen las descargas
atmosféricas.

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• La forma del impulso puede cambiar
significativamente dependiendo de las características
del circuito. Asimismo se percibe muy diferente
dependiendo donde se mida o detecte.
• Pueden convertirse en oscilatorios en caso que
coincidan con la frecuencia natural de oscilación del
sistema.

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TRANSITORIO OSCILATORIO
• Es un cambio súbito en voltaje, corriente o ambos a
frecuencia no nominal, bidireccional en polaridad a
partir de una condición de estado estacionario.
• Se describen en función de su contenido espectral,
duración y frecuencia. Por el contenido espectral son
de Alta , media y baja frecuencia.

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• Alta frecuencia: > 500 kHz y duración de varios
µS . Usualmente son debidos a transitorios tipo
impulso (rayos).
• Media frecuencia : 5-500 kHz y duración
superior a 10 µS. Típicamente se debe a la
Energización de condensadores

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• Baja frecuencia : < 5 kHz y duración de 0.3 a
50 mseg. Se presente en los sistemas de
distribución y se debe a muchos tipos de eventos.
• Usualmente se debe a la Energización de bancos
de condensadores. La frecuencia es entre 300 y
900 Hz. Magnitud pico: 2.0 p.u. y típicamente
entre 1.3 y 1.5 p.u. entre 0.5 y 3 ciclos.

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• Frecuencias menores a 300 Hz se deben a
energización de transformadores y ferro-resonancia.

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DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (DA)

Objetivo: ilustrar como las descargas atmosféricas
ocasionan sobrevoltajes transitorios en el sistema de
potencia.
Lugar mas usual de impacto: cable de fase de los
circuitos primarios y en ocasiones de los circuitos
secundarios.

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DESCARGAS ATMOSFERICAS (DA)

Rayo

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14/09/2012 HMS 14

DESCARGAS ATMOSFERICAS

Forma en que entran al usuario y causan daño:
• Descarga directa sobre los circuitos del usuario.
• Corrientes de las descargas que fluyen por los
conductores asociados a las puestas a tierra.
Ejemplo: tierra primaria , secundaria y la estructura
de la edificación.

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• Las descargas pueden
provocar fallas e interrupciones.
• Las DA y los árboles son las
principales causas de fallas
momentáneas.
• La protección contra DA
mejoran la confiabilidad y la
calidad de los sistemas de
distribución.

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14/09/2012 HMS 16

IMPACTOS DIRECTOS
• Debido a las grandes magnitudes de corriente (31 KA) todos
los impactos directos pueden causar flashover.
•Los transformadores son protegidos con DST y ayudan a
proteger las líneas.
• Una DA o rayo puede ser representado por una fuente
ideal de corriente.

ZC = L ≈ 300 − 600Ω Z C .I r
C Vt =
2
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14/09/2012 HMS 17


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14/09/2012 HMS 18


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14/09/2012 HMS 19

Constantes de las líneas aéreas
Para un solo conductor con radio r ubicado a una altura h
por encima del suelo y asumiendo que la resistividad de la
tierra es cero, la inductancia y la capacitancia están dadas
por las siguientes expresiones:
Radio r

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14/09/2012 HMS 20


Por esta razón:

Tal como se observa la velocidad es igual a la
velocidad de la luz y la impedancia Z de un solo
conductor varia en una banda cercana entre 300 y
600 ohmios.

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14/09/2012 HMS 21


Cables

donde
r1 y r2 representan los radios interior y exterior del
cable y k la permitividad.
Para los cables la permitividad varía entre 2.4 y 4.0. La
impedancia fuente varía entre 30 y 60 ohmios y la
velocidad de propagación entre ⅓ y ½ la velocidad de la
luz.

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14/09/2012 HMS 22

TENSIONES INDUCIDAS

• Sobretensiones inducidas son mas fáciles de proteger por su
magnitud.

•Impactos cercanos a las líneas pueden producir estas
tensiones.
• El campo eléctrico se acopla capacitivamente con la
línea. El campo eléctrico vertical induce un voltaje
sobre el conductor el cual es proporcional a la altura
del conductor sobre la tierra.

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14/09/2012 HMS 23

TENSIONES INDUCIDAS
• Los voltajes son mucho mas bajos que los impactos
directos.
• Voltajes que puedan generar flashover está limitados
a 500 pies
• La mayoría de los voltajes medidos están por debajo
de los 300Kv.
• Contra DA cercanas se puede proteger con BIL de 300
Kv o descargadores de sobretensión tensión (DST)
sobre cada fase a 360 Mts.
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14/09/2012 HMS 24

TENSIONES INDUCIDAS

• Elmodelo simplificado de S. Rusck (1958) ayuda a
calcular voltaje por descargas cercanas.

donde
Is = corriente pico del rayo [kA],

h = altura de la línea

y = distancia del rayo a la línea
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14/09/2012 HMS 25

TENSIONES INDUCIDAS

• Esta ecuación es válida para un solo conductor.
• Para un circuito trifásico los voltajes solamente
alcanzan entre el 50% y el 80%
• Los cálculos de este tipo de voltajes son mucho
mas complicados.

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14/09/2012 HMS 26


AISLAMIENTO

• Elvoltaje crítico de flashover (the critical flashover
voltage (CFO)) es usado para identificar el nivel de
aislamiento para impulsos de DA.
• Para propósitos prácticos es el mismo BIL.
• El CFO se define como el voltaje al cual un
flashover ocurrirá el 50% de las veces para una onda
estándar de prueba.

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14/09/2012 HMS 27

Las descargas sobre las fases de los circuitos
primarios son llevadas a tierra a través de los DST
y por lo tanto (indirectamente) muchas descargas se
reflejan en la carga.
La mayor cantidad de la corriente del impulso se
disipa en la tierra , pero ya que las tierras no son
perfectas , una cantidad apreciable de corriente se
presenta en otros conductores conectados a tierra
en los primeros μs.

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Descargas : flameo inverso, fallas, y por lo tanto una
depresión de voltaje y la interrupción.
El impulso puede ser conducido por muchos Kms y
puede causar flameos a medida que pasa por postes y
estructuras.
Para evitar la anterior se deben instalar DST. La
interceptación del impulso en cercanías de la
descarga, recorta bastante el impulso.

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Dependiendo de la efectividad de la puesta a tierra a lo
largo del camino del impulso de corriente, alguna parte
de la corriente puede llegar a las cargas.
DST cerca de la descarga se pueden deteriorar debido
al esfuerzo severo (muchas descargas son una secuencia
continua de varias descargas).
Las descargas no tienen que caer directamente sobre un
conductor para producir impulsos sobre el Sistema de
Potencia

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Pueden caer cerca de la línea y generar impulsos por el
colapso del campo eléctrico. Otra posibilidad es que
caigan sobre la tierra local, logrando de esta forma
que el voltaje de referencia de esta tierra se eleve
considerablemente (por encima de cero). Esto
ocasionaría que la corriente circule hacia otra tierra u
pase cerca de equipos sensibles.

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DESCARGAS ATMOSFERICA

Algunos investigadores aseveran que las
descargas llegan a los equipos de los usuarios
finales a través de la capacitancia que existen
entre los devanados de los transformadores.

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La inductancia del transformador logra bloquear parte
del impulso que trata de circular a través del mismo. A
su vez la capacitancia entre devanados ofrece un
camino de baja impedancia para la alta frecuencia. Por
lo tanto, aparece un voltaje en los terminales
secundarios mucho mas alto que el que
aparentemente permite la R.T. del transformador.

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Modelaje de líneas con el ATP

MicroTran

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DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN (DST)

Se llama descargador de sobretensión (DST) al
dispositivo destinado a proteger las instalaciones y
los aparatos eléctricos de sobretensiones.

El objetivo en la aplicación de un DST es el de
seleccionar la mas baja especificación del DST que
permita satisfacer adecuadamente el servicio,
durante la vida del sistema de potencia, mientras
provee adecuada protección al aislamiento de los
equipos.

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14/09/2012 HMS 39


El Descargador de sobretensión (DST) está entre los
dispositivos más incomprendidos y más mal aplicados en
la industria.

Los DST están conformados con base en resistencias no
lineales (tales como los varistores) en los cuales la
resistencia se reduce conforme el voltaje se incrementa.
Esta reducción continúa hasta que el DST actúa
configurándose un corto directo a tierra. Una vez alcanza
esta condición, la energía de la descarga migra hacia la
tierra lejos del equipo que se esta protegiendo, reduciendo
los efectos de las sobrevoltajes.
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14/09/2012 HMS 40


Las siguientes normas cubren todo los aspectos
relacionados con los DST separándolos en los dos tipos
de construcciones que existen: Carburo de Silicio (SiC) y
Oxido de metal (OM):

• ANSI/IEEE C62.1 (IEEE Standard for Gapped Silicon-
Carbon Surge Arresters for AC Power Circuits).

• C62.11 (IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters
for Alternating Current Power Circuits).

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14/09/2012 HMS 41


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14/09/2012 HMS 42


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14/09/2012 HMS 43


EL MÉTODO ELECTROGEOMÉTRICO

Este método fue desarrollado principalmente por el
Ingeniero Whitehead, es utilizado en los estudios
de apantallamiento contra rayos utilizando varillas
verticales y conductores horizontales para la
protección de edificios, líneas de transmisión y
subestaciones.

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14/09/2012 HMS 44

Aplicación a líneas de transmisión.

Cuando un rayo hace impacto en los hilos de
guarda o sobre los conductores energizados de una
línea de transmisión, se desarrollan sobretensiones
que viajan en ambas direcciones, partiendo desde
el punto donde el rayo hizo impacto, originando,
eventualmente, flameos sobre los aisladores.

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14/09/2012 HMS 45


El objetivo de este modelo es determinar el
punto de impacto de una descarga teniendo en
cuenta su intensidad máxima de corriente y la
localización del canal de esta descarga, que se
supone tiene una trayectoria vertical.

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14/09/2012 HMS 46


AI acercarse una descarga a tierra hay un
momento en que se supera la rigidez dieléctrica
del aire y se produce el salto hacia el objeto mas
cercano, que puede ser un árbol, una línea o la
misma tierra.
El método establece una relación matemática
que relaciona la carga espacial, la magnitud de
la corriente del rayo y la distancia de impacto.

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14/09/2012 HMS 47


rg = k .imax
A

rc = k .i A
max

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14/09/2012 HMS 48


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(Fuente: Hileman, Andrew H. Insulation Coordination for Power Systems. Marcel Dekker. NY. 1999)

Ángulos típicos Im (kA)
αp
5 12,0
10 28,4
15 35,1

rc = k .i
20 38,9
A 25 41,4
30 43,2 h = 25 m
max 35 44,5 y= 20 m
40 45,6
45 46,4 A = 10
50 47,2 b= 1

rg = k .i A 55 47,8
60 48,3
max 65
70
48,7
49,1
75 49,5
80 49,8
85 50,1
90 50,4
95 50,6
100 50,8
105 51,0
110 51,2
115 51,4
120 51,6
125 51,7
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14/09/2012 HMS 50


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14/09/2012 HMS 51

EL RAYO
Se estima que en todo momento hay cerca de
2000 tormentas eléctricas sobre la tierra,
generando unos 100 rayos a tierra por segundo.
La mayor incidencia se da en las tres zonas de
mayor convección profunda tropical: Suramérica
tropical, África central y el continente marítimo.
Colombia, situada en la zona de confluencia
intertropical, presenta una de las mas altas
actividades eléctricas atmosféricas del mundo,
con una cifra de rayos por año superior al millón.
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PARAMETROS DEL RAYO

Los parámetros del rayo han sido medidos en
latitudes norte o sur pero muy poco en zonas
tropicales o semi -tropicales.
Los parámetros recomendados por organismos
como V DE y CIGRE se basan en las mediciones
directas Ilevadas a cabo por el investigador K.
Berger en Monte Salvatore localizado en la
frontera Suiza - Italia.

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PARAMETROS DEL RAYO

Se recomienda considerar probabilísticamente los
valores sugeridos por CIGRE en la latitud norte o los
estimados para Colombia a partir de cualquiera
sistemas de medición y localización:
• RECMA, propiedad de ISA
• Empresas Públicas de Medellín
• Programa de Adquisición y Análisis de Señales
- P.A.A.S. - Universidad Nacional de Colombia
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PARAMETROS DEL RAYO

De acuerdo con resultados de investigaciones,
se ha planteado la hipótesis que en países
tropicales, como Colombia, se pueden esperar
valores de parámetros de rayo superiores a los
de otras latitudes.
Se recomienda utilizar, para diseños de
protección contra rayos, valores de parámetros
de rayo con baja probabilidad de ser superados.

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PARAMETROS DEL RAYO
• Nivel ceraúnico (# días/año)
• Densidad de descargas a tierra (# /km2-año)
• Polaridad (Positivo o negativo).
• Dirección (Ascendente/descendente)
• Multiplicidad (# descargas subsecuentes)
• Intensidad de campo eléctrico (E)
• Intensidad de campo magnético (H)
• Corriente máxima (kA)
• Corriente promedio (kA)
• Pendiente máxima (kA/s)
FUENTE: http://www.digital-photography-school.com/15-spectacular-lightning-images
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PARAMETROS DEL RAYO
• Carga impulsiva del líder (A-s)
• Carga total del rayo (A-s)
• Impulso cuadrático de corriente (A²-s)
• Energía de una descarga (A²-s)
• Tiempo de frente (s)
• Tiempo de cola (s)
• Tiempo total (s)
• Intervalo entre descargas (s)
• Coordenadas (N/S – E/O)
• Fecha y hora exactas (a/m/d/h/m/s/ms)
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FUENTE: http://www.digital-photography-school.com/15-spectacular-lightning-images

PARÁMETROS DEL RAYO

Nivel ceraúnico (NC)
Este nivel posee en Colombia la distribución
espacio - temporal presentada en el mapa de
niveles ceraunicos.
Para la evaluación de la actividad de rayos en
el área de estudio, se debe tener presente la
dinámica temporal multianual del fenómeno y
representar el NC mediante una distribución
de probabilidad acumulativa.
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Densidad de descargas a tierra (DDT)
La densidad es un parámetro complementario al
NC, que permite cuantificar la incidencia de rayos
en la zona.
En Colombia todavía no hay suficientes datos.
Para su cálculo se puede utilizar la siguiente
ecuación que es función del nivel ceraunicos y
tiene en cuenta la latitud δ:
DDT = (0, 1 + 0,35 Seno δ) 0,6 NC
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Polaridad
Tipo de carga, positiva o negativa, asociado con la descatrga de
retorno del rayo.

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VALOR PICO DE LA CORRIENTE DE RETORNO DEL RAYO
También Ilamado corriente máxima del rayo (Lightning
Peak Current), dado en kiloamperios, es importante para el
cálculo de la caída de tensión de la resistencia al impulso
de la puesta a tierra de la instalación y para el cálculo de
la distancia de impacto (rs) del rayo a la estructura.
La corriente máxima del rayo se estima indirectamente por
un sistema localizador de rayos

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La corriente máxima del rayo se estima
indirectamente por un sistema localizador de
rayos.
Tales sistemas tienen sensores remotos que
miden el campo eléctrico y/o magnético
producido por un rayo a grandes distancias, lo
que permite el cálculo de la corriente del rayo.

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MÁXIMA RATA DE ASCENSO DE LA CORRIENTE
DEL RAYO (di/dt)max. (Current Rate-of-Rise)
El valor (di/dt) max se utiliza para el cálculo de
las tensiones electromagnéticas inducidas que
se presentan en los lazos metálicos, abiertos o
cerrados, en cualquier instalación y son las
causantes de daños en equipos electrónicos.

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MÁXIMA RATA DE ASCENSO DE LA CORRIENTE DEL
RAYO (di/dt)max. (Current Rate-of-Rise)

El máximo valor de tensión inducida (V max), en
Voltios, en un lazo metálico, se expresa como:
V max = M (di/dt)max

Donde M es la inductancia propia del lazo
metálico, expresada en Henrios, la cual depende
de la geometría y, (di/dt)max es la máxima rata de
ascenso de la corriente del rayo expresada en
kA/J.ls.
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CUADRADO DE LA CORRIENTE DE IMPULSO DEL RA YO
(j2dt)
Se utiliza para el cálculo del calentamiento y los esfuerzos
electromecánicos al circular la corriente del rayo por conductores
metálicos.
Para un conductor de Resistencia óhmica R, la energía W, disipada
en forma de calor, y expresada en Julios, es:

W = R∫ i dt
Estos parámetros característicos del rayo son básicos para estudios
de potenciales a tierra, tensiones de acople de líneas apantalladas,
calculo de corrientes permitidas en el cuerpo humano, calculo de
tensiones de paso, calentamiento de conductores y sobretensiones
inducidas, entre otros.
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CUADRADO DE LA CORRIENTE DE IMPULSO
DEL RA YO (j2dt)
Se utiliza para el cálculo del calentamiento y los
esfuerzos electromecánicos al circular la
corriente del rayo por conductores metálicos.
Para un conductor de Resistencia óhmica R, la
energía W, disipada en forma de calor, y
expresada en Julios, es:

W = R∫ i dt
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EL RAYO

Respecto a los rayos se puede afirmar, sin lugar
a dudas, que no existen medios para evitarlos
pero existen medidas para ejercer un control
que ofrezca seguridad a las personas y a los
equipos eléctricos y electrónicos.
Las precauciones de protección apuntan hacia
los efectos secundarios y a las consecuencias
de una descarga eléctrica atmosférica.

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SISTEMA GENERAL DE PROTECCIÓN

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14/09/2012 74

Conmutación de condensadores

La conmutación de condensadores es uno de los hechos
más comunes en los sistemas eléctricos.

Los condensadores se utilizan para:

• Proporcionar energía reactiva (en unidades de vars) para
corregir el factor de la energía.
• Reducir pérdidas
• Apoyar el voltaje en el sistema.
• Son medios muy económicos para inyectar potencia
reactiva cerca de la carga.

14/09/2012 75

Los métodos alternativos tales como el uso de máquinas
que rotan y de compensadores electrónicos del var son
mucho más costosos o tienen altos costos de
mantenimiento.

La conmutación de condensadores implica la presencia
de sobretensiones transitorias.

Debido a que usualmente los condensadores se conectan a
horas fijas, los problemas se presentan siempre a la
misma hora. Por ejemplo disparos de los ASD y otras
cargas controladas electrónicamente

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El aumento generalmente está entre 1.3 y 1.4 p.u.
Pero podría llegar hasta 2.0 .

El voltaje se propaga a través del sistema de potencia,
dependiendo de las RT de los transformadores.

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Estos voltajes generalmente no ocasionan daños al
aislamiento, pero pueden causar la operación
indebida de equipos electrónicos:
- Tiristores
- Controles de equipos
- Equipos de conversión de potencia (AC-DC).

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Bancos sólidamente aterrizados, pueden ocasionar
altos voltajes transitorios en el sistema de tierra ,
debido a la alta corriente de energización. Cerca de
cuatro veces la corriente de carga del circuito.

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http://rauljes.blogspot.com/

Magnificación de la tensión

Adición de bancos de condensadores en el usuario,
cerca de bancos de la electrificadora puede ocasionar
aumento en los voltajes transitorios en el mismo
usuario.
Depende del tamaño del banco y del tamaño del
transformador de conexión del usuario. Puede llegar a
ser de 4 p.u.

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Magnificación de la tensión

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Se puede hacer uso de resistencias de preinserción o
interruptores de cierre sincronizado en las maniobras
de la electrificadora.

En principio de puede hacer uso de DST de alta
energía para limitar la sobretensión en el punto del
cliente.

Estos transitorios generalmente tiene contenidos
energéticos del orden de 1 kJ.

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Los DST tipo MOV (Metal Oxide Varistor)
permiten entre 2 y 4 KJ .

Estos DST limitan el voltaje típicamente a 1.8
pu. Lo cual puede que no sea suficiente para
proteger los equipos.
Muchos equipos sólo permiten hasta 1.75 pu
(SCR “Silicon Controlled Rectifiers” usados en
la industria)

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Una buena opción para evitar la magnificación, es
convertir el banco de condensadores de corrección del FP
en un filtro de armónicos , ya que la inductancia en serie
con el condensador limita el sobrevoltaje transitorio.
Si solo se afectan unos pocos equipos es mas económico
ubicar reactores en serie con el equipo para bloquear
estos transitorios de alta frecuencia.

El reactor debe tener una reactancia del 3% . Esta
reactancia es baja a frecuencia nominal pero alta a altas
frecuencias . Muchos drives ya la tienen incorporada.

14/09/2012 88

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