Las Perturbaciones Electricas en Bt

Cuaderno Tcnico n 141

Las perturbaciones elctricas en BT

R. Calvas

La Biblioteca Tcnica constituye una coleccin de ttulos que recogen las novedades electrotcnicasy electrnicas. Estn destinados a Ingenieros y Tcnicos que precisen una informacin especfica oms amplia, que complemente la de los catlogos, guas de producto o noticias tcnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenmenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos elctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes elctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

http://www.schneiderelectric.es

Igualmente pueden solicitarse ejemplares en cualquier delegacin comercial de Schneider ElectricEspaa S.A. , o bien dirigirse a:

Centro de Formacin Schneider

C/ Miquel i Badia, 8 bajos

08024 Barcelona

Telf. (93) 285 35 80

Fax: (93) 219 64 40

e-mail: [email protected]

La coleccin de Cuadernos Tcnicos forma parte de la Biblioteca Tcnica de Schneider ElectricEspaa S.A.

Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilizacin de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no sern responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicacin de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edicin.

La reproduccin total o parcial de este Cuaderno Tcnico est autorizada haciendo la mencin obligatoria:Reproduccin del Cuaderno Tcnico n 141 de Schneider Electric.

Cuaderno Tcnico n o 141

Roland CALVASIngeniero ENSERG 1964 (Ecole NationaledElectronique et Radiolectricit de Grenoble) ydiplomado del Institut dAdministration desEntreprises, entr en Merlin Gerin en 1966.

Durante su extensa vida profesional ha sidoresponsable del rea de Comercial y despus deMarketing de la seccin de proteccin depersonas contra riesgos elctricos.


Trad.: Dr. Corts, J.M. Gir

Original francs: enero 1 999

Versin espaola: enero 2 001

Cuaderno Tcnico Schneider n 141 / p. 4

Corte: Ausencia ms o menos larga de tensin.

Bajada de tensin: Bajada de tensin de msde un 10%, seguida de un retorno a un valorcomprendido dentro del margen de la variacinnormal.

Esquema de conexin a tierra (ECT): Llamadotodava a veces rgimen de neutro. La normaCEI 60 364 determina los tres principalessistemas de conexin a tierra que definen lasconexiones posibles del neutro, de la fuente y delas masas a tierra o a neutro. Precisamente lasprotecciones elctricas necesarias en una redse definen en funcin del ECT instalado.

PWM: (Pulse Width Modulation): Modulacin deancho de impulso.

Perturbacin elctrica: Todo fenmenoperturbador que hace variar los valoresnominales de la onda de tensin (o de corriente)de la red.

Perturbacin electromagntica: Todofenmeno perturbador de naturaleza elctrica,

Terminologa

magntica o electrosttica que puede afectar ala red y/o el funcionamiento de los aparatoselctricos o electrnicos.

r.m.s.: (root mean square): en castellano, valoreficaz.

Rgimen de neutro: Ver esquema de conexina tierra.

Sobretensin: Incremento ms o menosimportante de Un + 10%.

Sobretensin breve: Onda de tensintransitoria caracterizada por una subida rpidaseguida a continuacin de una bajada mslenta, generalmente de carcter peridico.

Sobretensin muy corta: Onda de tensintransitoria caracterizada por una subida rpidaseguida a continuacin por una bajada mslenta, generalmente peridica.

Tensin de tipo impulso: Impulso de duracininferior a 10 ms superpuesto a la tensinsenoidal.



Las redes BT estn muy perturbadas y sometidas a mltiples agresiones. Losmateriales electrotcnicos, pero sobre todo los aparatos electrnicos, que son cadavez ms abundantes y tratan seales cada vez ms dbiles, deben resistir a unentorno electromagntico severo. Y a la vez las exigencias de disponibilidad tantoen la produccin como en la gestin y el comercio son cada vez ms importantes.

Para mejorar la calidad de el producto elctrico y evitar los fallos defuncionamiento y hasta la destruccin de componentes de las redes elctricas y/ode los componentes sensibles, es imprescindible comprender el origen de lasperturbaciones y valorar sus riesgos. Este es precisamente el objeto de esteCuaderno Tcnico. Es una introduccin al amplio campo de la compatibilidad y dela inmunidad electromagntica desde los 50 Hz hasta las frecuenciasradioelctricas.

En esta obra el autor trata todos los parmetros y las principales anomalas quepermiten caracterizar una alimentacin elctrica:

nnnnn amplitud: variaciones - cortes - bajadas - sobretensiones,

nnnnn frecuencia: variaciones,

nnnnn forma de onda: corrientes armnicas - transitorias - portadoras,

nnnnn fase: desequilibrio,

nnnnn potencia: cortocircuitos - sobrecargas (efectos en la tensin).

1 Las tensiones industriales BT 1.1 Las tensiones nominales p. 6

1.2 La frecuencia p. 6

2 Las perturbaciones de amplitud 2.1 Las bajadas de tensin y los cortes breves p. 7

2.2 Las sobretensiones p. 11

3 Las perturbaciones de la onda 3.1 Los generadores p. 19senoidal 3.2 Los transformadores p. 19

3.3 Los receptores p. 19

3.4 Las alimentaciones conmutadas (switching) p. 20

3.5 Los hornos industriales p. 20

3.6 Las corrientes portadoras p. 20

3.7 Los efectos de las perturbaciones p. 21

4 Perturbaciones particulares de 4.1 Los desequilibrios de corriente y de tensin p. 22los sistemas polifsicos 4.2 Los desequilibrios de fases p. 23

5 Perturbaciones electromagnticas 5.1 Campos y radiaciones p. 24

5.2 Descargas electrostticas p. 26

6 Conclusin p. 27

Anexo 1: Transmisin de sobretensiones a travs de los transformadores p. 28

Anexo 2: La ferrorresonacia p. 29

Anexo 3: Bibliografa p. 30


Todas la redes sufren u originan perturbaciones.Ahora bien, los receptores, y tambin losaparatos de mando y control y de proteccin sonsensibles a la calidad de la tensin que se lesaplica. Por tanto es muy importante conocer ytener en cuenta las exigencias de laalimentacin con energa elctrica:

nnnnn los fabricantes de equipos electrotcnicos yelectrnicos destinados al mercado mundialdeben de tener en cuenta las tolerancias quevaran segn el pas,

1 Las tensiones industriales BT

1.1 Las tensiones nominales

1.2 La frecuencia

En cuanto a la frecuencia, las variaciones lentasalrededor del valor nominal 50 60 Hz songeneralmente estrechas. En los pases europeoscuyas redes estn interconectadas, la norma EN50160 precisa 50 Hz 1% durante el 95% de una

El campo de la BT abarca las tensiones:

nnnnn alternas: 1 000 V (frecuencia 10 kHz),nnnnn continuas: 1500 V.Llamadas tambin tensiones asignadas.Estas tensiones estn definidas en lapublicacin CEI 6 0038 de 1983. La msutilizada de las tensiones BT es la de 230/400V, oficializada en Francia desde 29-5-86.

En el mundo, hasta el ao 2003, se podrnencontrar todava diversas tensiones nominales:

nnnnn europeas: 220/380 V, 50 Hz,

nnnnn inglesas: 240/415 V, 50 Hz,

nnnnn USA: 120/240 y 480 V, 60 Hz,

nnnnn Japn: 100/200 V, 50 y 60 Hz.

Pero estas tensiones varan alrededor del valornominal en funcin de la estructura y de la cargaen la red (longitud de los conductores yvariacin de carga) y de los sistemas deregulacin de la red pblica (o privada).

En Europa, la norma EN 50160 indica que enexplotacin normal para cada perodo de unasemana el 95% de los valores eficaces mediosen 10 minutos deben situarse en el margenUn 10%.Adems estas variaciones deben asociarse a lanocin de duracin, por ejemplo:

nnnnn permanente: Un 10%,nnnnn cinco minutos: Un 20%.En los pases en vas de desarrollo se puedenencontrar frecuentemente variaciones del 20%.

nnnnn las oficinas tcnicas y los instaladorestambin deben de tener en cuenta estosfenmenos en el diseo de las redes y segn lasnecesidades de sus clientes encontrar lassoluciones tcnicas tanto en los esquemas dedistribucin como en la aparamenta.

Recordemos que las instalaciones BT estnregidas por la norma CEI 60 364.

semana y [+ 4%, -6%] en caso de perturbacionesms importantes. Estas variaciones pueden sermucho ms importantes en redes autnomas, porejemplo, en una isla.


2 Las perturbaciones de amplitud

En explotacin normal, las redes sufrenperturbaciones debidas a las variaciones decarga, pero, tambin y sobre todo, a losfenmenos aleatorios cuyo origen es accidental,como por ejemplo, los cortocircuitos.

La red BT est sometida a estas dos causas deperturbaciones que pueden producirse encualquier nivel de la red (BT, MT o AT).

Las dos principales perturbaciones de

amplitud son:

nnnnn las bajadas de tensin y los cortes

breves,

nnnnn las sobretensiones.

2.1 Las bajadas de tensin y los cortes breves

La bajada de tensin se define generalmentecomo un descenso entre el 10% y hasta casi el100% del valor nominal de la tensin durante untiempo comprendido entre 10 ms y algunossegundos (figura 1 ). Cuando no hay tensin(bajada de la tensin del 100%) durante 1segundo a 1 minuto se habla de corte brevede tensin, y entre 10 ms y 1 s de corte muybreve. Cuando la duracin del corte es 10 ms, el corte suele deberse a fenmenostransitorios o voluntarios, por ejemplo, a lautilizacin de arrancadores electrnicos.

Perturbaciones originadas en la explotacinde las redes AT y MTn Las variaciones voluntarias de la geometrade la red provocan cortes breves que puedenllegar a varios segundos. Pero las redes dedistribucin malladas son menos sensibles aeste fenmeno.

nnnnn La conexin de grandes transformadoresprovoca bajadas de tensin evolutivas debido alas corrientes de conexin. La tabla de lafigura 2 da a ttulo de ejemplo, los valores de lacorriente de conexin de transformadoresMT/BT.

Igual sucede en la conexin de condensadoresMT y grandes motores: para los condensadoresla corriente de conexin puede llegar a 100veces su corriente nominal (segn la CEI 831-1)y hasta 8 In durante varias decenas desegundos para los motores.

nnnnn Perturbaciones debidas a defectos en lasredes AT y MT (cortocircuito y defecto deaislamiento).

Fenmenos tales como: defecto de aislamientodel material, cada del rayo, rotura de un cablesubterrneo, derivacin a tierra de un cableareo provocan cortocircuitos que generan

10 % < 100 %v v

v

Amplitud dela tension

t (ms)

t

t > 10 ms

Corte

Fig. 1: Bajada de tensin (v)y corte de tensin.

P ne Constante(kVA) de tiempo (s)

50 15 0,1

100 14 0,15

160 12 0,2

250 12 0,22

400 12 0,25

630 11 0,3

800 10 0,3

1000 10 0,35

1250 9 0,35

1600 9 0,4

2000 8 0,45

I

Icresta conexin

transformadorne

n

Fig. 2: Valores de las corrientes de conexin yconstante de tiempo de los transformadores MT/BTinmediatamente despus de una conexin, lado MT(despus de una conexin lado BT, ne es 2 vecesmayor).


cadas de tensin importantes en una zonaprxima ms o menos extensa alrededor delorigen del defecto; y sto antes de que loselementos de proteccin desconecten elelemento defectuoso. Paralelamente, losusuarios directamente afectados por el elementoaveriado quedan definitiva o temporalmenteprivados de alimentacin. Estos fenmenosafectan a todos los niveles de tensin, peroparticularmente a las redes de MT (20 kV). Paracada defecto el nmero y el tipo de bajadas detensin y cortes breves depende de lasprotecciones y de los automatismos dereenganche utilizados. En Francia:

o sobre las redes de MAT (400 y 225 kV) haydiversos sistemas de reenganche:

reenganches monofsicos lentos quefuncionan en caso de defecto monofsico: laduracin del corte es del orden de 1,5 a 2 s,

reenganches trifsicos lentos (defectospolifsicos) cuyo funcionamiento est sujeto alcontrol de la sincronizacin de las tensiones: laduracin del corte es del orden de 5 s.

Estos reenganches se utilizan tambin en AT(90 y 63 kV),

o en las redes MT areas (5 a 20 kV), en lascuales el neutro est conectado a tierra pormedio de una impedancia que limita la corrientede defecto homopolar a 300 A, se encuentran anivel de los centros de transformacin fuente,interruptores automticos shunt que permitenla eliminacin de defectos monofsicospasajeros (provocados por ramas), sin efectopara los usuarios BT (figura 3 ).

Por el contrario, los defectos polifsicos soneliminados por rels rpidos y lentos queprovocan bajadas de tensin en la BT (figura 4 ).

N

300 A Interruptorautomticoshunt

Fig. 3: Eliminacin de un defecto monofsico medianteun interruptor automtico shunt que al cortocircuitar eldefecto permite la extincin del arco.

Fig. 4: Variaciones de tensin durante los reenganches rpidos y lentos en una red de distribucin MT.

n0

Un

0

Un

0

t (s)

t (s)

t (s) u

u

Reengancherpido

Reenganchelento

0,1 0,3 150,5 0,5 Definitivo

Origendel defecto

AT

MT

Salida condefecto

Aperturainterruptorautomtico



Principio: En una red MT area, la mayor parte de los defectos son transitorios, por lo que el interruptorautomtico en cabecera de cada salida est equipado con un automatismo que hace dos intentos de reenganche(a veces, tres):n el primero inmediatamente (tiempo de apertura + cierre = 0,3 s),n el segundo despus de unos 15 s.

a) corriente solicitada por la salida con defecto

b) tensin en la salida con defecto

c) tensin en las otras salidas


CTAT/MT

CTAT/MT

1

0

tf

A B

t f = 5 25 s

Redalimentadapor ...

EntradaA

EntradaB

tf

1

01

0

A

U

t

Circuito ACircuito B

CTAT/MTTransformador

AT/MT

Rama de alimentacin detodos los CT, excepto el n 1

TransformadorMT/BT

Rama de alimentacindel CT n 1

TransformadorMT/BT

TransformadorMT/BT

Punto deabertura

CT n 1

Fig. 5: Alimentacin MT de doble derivacin.En el cuadro inferior derecho, secuencia del automatimso de un conmutador Merlin Gerin conforme a lasespecificaciones EDF (Francia).

Fig. 6: Alimentacin MT de bucle abierto (corte de arteria).


El 75% aproximadamente de los defectos soneliminados despus del reenganche rpido, quecorresponde al clsico corte breve de 300 ms,

o en las redes MT subterrneas (5 a 20 kV). Enellas no existen a priori defectos pasajeros, porlo que todo defecto implica la desconexindefinitiva del sector de la red afectada. Poresta circunstancia, las redes subterrneas(urbanas) se organizan o en doble derivacin(figura 5 ) o, lo que es ms frecuente, en anilloabierto (figura 6 ).Los automatismos utilizados permitenrealimentar a los centros de transformacinMT/BT que no tienen el defecto en menos de unminuto.

Perturbaciones originadas en la explotacinde las redes BTLas bajadas de tensin que se observan en unared BT y que se deben a su explotacin, estnprovocadas por:

nnnnn la conexin de condensadores(eventualmente colocados al principio de la red)que provoca, como en MT, una bajada detensin muy breve, incluso un fenmenotransitorio de tipo oscilatorio,

nnnnn un arranque normal de grandes motores,alimentados directamente por el Cuadro GeneralBaja Tensin, que provoca una bajada detensin o un arranque en marcha(realimentacin despus de un corte breve) queprovoca un pico de corriente casi siempreimportante (hasta dos veces el 8 10 In de unarranque directo).

Perturbaciones debidas a defectos de lasredes BTLos cortocircuitos en la red principal dedistribucin BT entre dos conductores activos oentre un conductor activo y una masa en elesquema de conexin a tierra TN (CuadernoTcnico n 172) son tambin la causa debajadas y cortes de la tensin.

Estos cortocircuitos, eliminados mediante losinterruptores automticos, selectivos o no,provocan una bajada de tensin tanto msprofunda cuanto ms importante es la salidaimplicada respecto a la potencia de la fuente, yque puede durar de 50 a 500 ms. La forma dealgunas bajadas y cortes de tensin viene dadaen la figura 7 .Tngase presente que las redes BT alimentadascon grupos electrgenos giratorios y dispositivosde conmutacin de fuentes (normal/emergencia)pueden permanecer sin alimentacin durantevarios segundos (Cuaderno Tcnico n 161):

Tiempo de interrupcin = T1 + Td + T,

siendo:

T1 = tiempo de la orden de arranque del grupoelectrgeno (0,4 a 10 s),Td = tiempo de arranque del grupo (algunossegundos),T = tiempo de conmutacin (< 0,4 s).

Fig. 7: Principales tipos de bajadas y cortes de tensin.

Un

t

Un

t

Un

t

Un

t

Un

t

Conmutacin voluntaria de fuentes.Duracin: de algunos milisegundosa varios minutos.

Conmutacin automtica de fuentes acontinuacin de un corte de suministro de red.Duracin: algunos milisegundos hasta 10 s.

Cortocircuito externo.Duracin: de 10 ms a ms de 100 ms.

Conexin de una unidad de gran potencia.Duracin: depende de la potencia de la red.

Paradas breves de grandes motores conreconexin inmediata al vuelo, sin llegara pararse.


En la tabla de la figura 8 pueden verse losrdenes de magnitud de las bajadas de tensinsegn los diferentes tipos de conmutacin.

Conclusiones sobre las bajadas de tensin ylos cortes brevesEstadsticamente, en la cabecera de una redBT, se observan cortes y bajadas de tensin conuna frecuencia que vara entre 1 vez al mes y 10veces al da. Su origen est normalmente en laMT y AT y su duracin, en el 80% de casos estcomprendida entre 25 y 350 ms.

Tipo de conmutacin

Sncrona Con tiempo muerto Pseudosncrona

BT MT

Ejemplos de n cambio de n alimentacin de n alimentacin de n rearranque al vueloaplicacin juego de barras bombas 2 entradas MT de motores asncronos

n sustitucin de un n alimentacin de intercambiablesgenerador por otro circuitos auxiliares n alimentacin de unan conmutacin entre de un CT fuente normal y unaSAI y red n alimentacin de de sustitucin

almacenes de grandessuperficies

Duracin de la nula 0,5 a 10 s 1 a 30 s 0,06 a 0,3 sconmutacin

Dispositivos n acoplador n inversor de fuentes n conjunto de celdas n interruptores automticosutilizados n sincroacoplador automticas con MT con conmutador AT rpidos con un

n conjunto SAI con interruptores conmutador ultra-rpido yun contactor esttico un controlador de fases

Observaciones La conmutacin debe Los dispositivos inversores mencionados Dificultades de gestinrealizarse con son generalmente conjuntos montados, de la orden de conmutacinausencia total de cableados y ajustados en fbrica (ver, por (presencia de tensintensin en la ejemplo, los catlogos de Schneider residual)fuente principal Electric)

Fig. 8: Diversos tipos de conmutaciones y su duracin.

Generalmente, la aparamenta electrotcnica esinsensible a estos fenmenos, si descartamoslos contactores y rels, en los que una cada yretorno intempestivos de la tensin puedenprovocar graves problemas en los procesosindustriales.

Con el desarrollo de la inteligencia repartida,microautmatas, captadores, preaccionadoresinteligentes, ... es conveniente prestar una granatencin a la coordinacin de la inmunidad a lasbajadas y cortes de la tensin de alimentacin.En efecto, la aparamenta con componenteselectrnicos no tiene que dar alarmas errneasni rdenes intempestivas.

2.2 Las sobretensiones

Dejando a parte las sobretensionesaccidentales, por ejemplo, la conexin de untransformador de 220 V a 400 V, las nicaselevaciones de tensin que pueden rebasar elcampo nominal de variacin Un + 10% seobservan cuando la red BT no est cargada.Pero los transformadores de los centros detransformacin fuente estn dotadosnormalmente de reguladores en carga quepermiten al distribuidor de energa mantener laMT dentro del margen de Un 7%.

Los impulsos de sobretensin se deben, sobretodo, a maniobras en la red MT y a los rayos.Poco peligrosas para la aparamenta tradicionalBT conforme a sus normas de fabricacin, sedeben de tener necesariamente en cuenta en eldiseo y en la puesta en servicio de aparatosque llevan elementos electrnicos (resistenciacon tensin reducida a 1500 V).


Maniobras en la red MT

nnnnn Conexin de bateras de condensadores MT,sin autoinduccin de bloqueo: el valor de crestapuede alcanzar 2Un (figura 9 ).

nnnnn Desconexin de transformadores MT/BT: elvalor de cresta puede alcanzar 3 Un, y depende,sobre todo, de la corriente cortada por elrgano de ruptura MT (figura 10 ).

Estas sobretensiones se transmiten a la BT atravs del transformador MT/BT en funcin delas relaciones de transformacin, inductiva ycapacitativa (anexo 2). No se deben ignorarporque son peligrosas para la aparamenta BT,especialmente cuando el circuito BT es pococapacitativo, es decir, poco extenso, lo quesucede sobre todo al conectar una instalacinconcreta.

El rayoEl rayo afecta directamente a las redes areas.

Existen numerosos estudios al respecto.

No existe el mismo peligro en todas lasregiones; se habla de su nivel cerunico.

En cuanto a las instalaciones, tampoco existe elmismo riesgo. El peligro mayor corresponde alcaso de lneas areas de gran longitud enregiones con muchas tormentas. La figura 11indica el nmero y el valor de las sobretensionesque se pueden alcanzar a lo largo de un ao. Setrata de valores estadsticos y se est siempre amerced de una descarga directa de rayo devalor muy superior.

Las normas de coordinacin del aislamiento y lacompatibilidad electromagntica -CEM- tienenmuy presente este fenmeno natural quedesarrolla una energa impulsional considerable,transmitida a la red BT por los transformadoresMT/BT.

Las normas relativas a la aparamenta tienencada vez ms presente la necesidad de soportarlas ondas de tensin y de corrienterepresentativas del rayo.

Aparte de estas ondas de frente abrupto, elrayo tiene un efecto nocivo debido a losexplosores y pararrayos emplazados aguasarriba de los centros de transformacin MT/BT.La importancia del riesgo depende del esquemade conexin a tierra -ECT-.

Supongamos el caso de un ECT TTN (figura 12 ).Cuando cae un rayo en la lnea MT, hace actuaral explosor o al pararrayos que deja pasar unaparte de la onda de choque que puede seramplificada por el fenmeno de la reflexin deondas (Cuaderno Tcnico n 168).

1

0

-1

-2 Un

Un

t-20 (ms)

Conexin

Un

1

-1

t

0,2 0,5 1 2 5 10 20

10-210-1

1

10

102

103

Nmero de sobretensionespor ao (sin proteccin)

Exposicin extrema

Bajaexposicin

Gran exposicin

Valores de sobretensiones (KV)

Cebados en losdispositivos

Fig. 9: Onda de tensin de la conexin de una baterade condensadores MT.

Fig. 10: Onda de tensin de la desconexin de untransformador.

Fig. 11: Nmero y valor de las sobretensiones estads-ticamente posibles segn la probabilidad de exposicinal rayo.


Este cebado del explosor origina una corrientede 50 Hz entre la fase defectuosa y la toma detierra Rpn.

Esta corriente, limitada a 300 A (en Francia) porla impedancia Z, se mantiene hasta laintervencin de las protecciones del centro detransformacin fuente. Y provoca, al pasar porRpn la subida de potencial de toda la red BTrespecto a la tierra profunda a la que estnconectados a travs Ra los equipos BT.

Hay entonces riesgo de perforacin en retornodel material BT que se materializa, cuando elproducto corriente x Rpn es mayor que latensin de aislamiento respecto a la masa de losequipos. As con una corriente de 300 A y unatensin de aislamiento de 2 500 V, Rpn no debesobrepasar 8 ; valor que puede sobrepasarsesegn la humedad y naturaleza del terreno!

Observemos que el problema es el mismo en elcaso de un defecto a masa de un elemento deMT del centro de transformacin. En este casoel mayor riesgo se presenta en las redes de MT

subterrneas; por esto, la corriente est, o bienlimitada a un valor superior (1000 A en Francia)o bien sin limitar, como en ciertos pasesextranjeros.

El ensayo de 2U + 1000 a la frecuencia de 50 Hzdurante un minuto permite verificar la rigidezdielctrica en tensin de los materiales BT.

Por ltimo, el rgimen de neutro del centro detransformacin juega tambin un papelimportante en lo que se refiere a la transmisinde la onda de choque a la BT. En efecto, apartede la transmisin capacitiva a travs deltransformador, la onda de corriente del rayodesarrolla en la impedancia de la toma de tierrauna tensin Uf tanto ms importante cuanto msautoinductiva sea la misma (figura 12 ).

Para tener en cuenta este fenmeno, en Francialos centros de transformacin sobre poste seinstalan (figura 13 ) con la toma de tierra delcentro de transformacin, del neutro y de losreceptores BT separadas (esquema llamado detomas de tierra separadas, TTS, segn NFC 13-103).

Fig. 13: Centro de transformacin MT/BT en poste. Esquema TT-S de conexin a tierra de un centro detransformacin MT/BT (puestas a tierra separadas del explosor, de la masa del transformador y del neutro BT). EsteECT es IT-S si el limitador de sobretensin se inserta en la conexin a tierra del neutro BT.

Rp Rn Ra

Proteccin BT area en poste

Contador

TransformadorMT/BT

yyyyyy

yyyyyy

Proteccin BTindividual

Fig. 12: Esquema TT-N de conexin a tierra de un centro de transformacin MT/BT (puesta a tierra comn alexplosor, la masa del transformador y el neutro BT), y transmisin de la onda de rayo hacia la red BT.

Uf

Uf

Rpn Ra

Z

Uf

N

ReceptorCT MT/BTCT fuente

Explosor


Esta disposicin permite evitar la subida depotencial de la instalacin BT y por tanto elriesgo de cebado en retorno de la aparamenta yde los receptores BT (figura 14 ). Los equiposMT, segn sus normas de fabricacin, puedensoportar estas tensiones (resistencia a la ondade choque de 125 kV para un materialespecificado de 24 kV). Despus de unaperforacin AT/BT en el transformador, es elvalor de Rn o Rpn el que evita la perforacin enretorno de los materiales BT.

Registros oscilogrficos realizados en gran parteen Suiza, por Landis - Gyr, y publicados sobretodo por el IEEE, muestran que se producenvarias veces al ao en diversos puntos de unared BT sobretensiones transitorias superiores alkilovoltio (figura 15 ). Es relativamente rarodetectar sobretensiones superiores a los 6 7kV, dado que, a estos niveles, se producenfenmenos de cebado de arco en el aire o en elcableado, que actan como explosores. Estaperforacin o cebado dielctrico descresta lassobretensiones a un valor tanto menor cuantopeor es la calidad del cableado. Unaproteccin as no deja de ser ilusoria, puesperjudica la instalacin y puede crear gravesproblemas de seguridad por perforacin,contorneo o carbonizacin de los aislantes.

La solucin para estas zonas expuestas es lainstalacin de pararrayos entre los conductoresactivos y tierra; para ms detalles ver elCuaderno Tcnico n 179.

Maniobras de la aparamenta yfuncionamiento de las protecciones BT

nnnnn Las bobinas de los rels y de los contactorestienen una impedancia autoinductiva y cortaruna corriente inductiva provoca casi siempresobretensiones importantes. En el caso de unrel (figura 16 ) cuando el interruptor K cortabruscamente la corriente, la energa 1/2 Li2 setransforma en energa 1/2 CV2, de donde unasobretensin:

1

9L 10

V i 0,15 3000 VC 0,25 x 10

Las sobretensiones observadas puedenalcanzar ms de 10 kV en un circuito de 230 V.

Estos circuitos auxiliares de mando deberanestar desparasitados por sus fabricantes, encaso contrario un circuito RC o una varistanciapuestas en paralelo con su bobina permitenabsorber la sobretensin.

Rp Rn Ra

Vivienda(toma del saln)

kV0,10,2 0,3 0,70,5 1 2 3 5 7 10 20

0,010,02

0,10,2

12

1020

100200

10002000

FbricaLandis y Gyr(sala de hornos)

Vivienda(acometidasubterrnea)

Fbrica Landis yt Gyr(laboratorio)

Oficina de banco(entrada de servicio)

Granjaalimentadapor lneaarea

Curva con datosUSA; distribucina 120 V

Nmero detransitorios/ao

Rp 30 pues el equipo de porte del CT(transformador e interruptor automtico)est sobreaislado a 20 kV de choque.

Rn 4 para cubrir el riesgo de un cebado de arcode retorno en el equipo BT del abonado acontinuacin de un cebado MT/BT; estevalor resulta del clculo:

2 xU 1000 URn

300 A

2 x 220 1000 220Rn 4

300

Fig. 14: Tomas de tierra en un centro detransformacin sobre poste MT/BT alimentado porlneas areas.

Fig. 15: Frecuencias y valores de pico de lassobretensiones debida a rayos en diversasinstalaciones BT (fuente: Landis y Gyr).

R

Cparsita

L

i

Fig. 16: Esquema equivalente de un rel.

L = 100 mH

R = 180

Cparsita = 250 pF

i = 150 mA


nnnnn En las redes BT y MT, en vaco o pococargadas, interrumpir una pequea corrienteinductiva no es fcil y provoca la aparicin desobretensiones, frecuentemente mltiples(trenes de ondas).

Sobre el circuito monofsico de la figura 17 ,tomado como ejemplo, cuando se abre elinterruptor K, la corriente contina circulando enL2, con lo que aparece en bornes de C2 unatensin VBN:

2BN 2

2

LV i sen t

C.

Lo mismo sucede en lo que se refiere a la redaguas arriba del interruptor, en la que seobserva en los bornes de C1 una tensin:

1AN 1

LV i sen t

C1.

En el instante de la apertura, las tensiones VBN yVAN estn en oposicin y la tensin VAB alcanzarpidamente un valor suficientemente importantecomo para haber reencendido el arco (recebadoen los contactos del aparato de corte K).

La corriente, que es dbil, los contactos alsepararse y la pulsacin entre las dos tensionesVBN y VAN, son los elementos que hacen que elarco se apague; despus las tensiones vuelvena subir y el fenmeno vuelve a producirse...

Se pueden tener as varios ciclos de recebadohasta que la energa disipada por el arco y laseparacin de los contactos, que va enaumento, detienen el fenmeno.

El resultado es la aparicin de trenes de ondas,

de tensin y frecuencias elevadas 1

2L C ,

verdaderos generadores de parsitos.

Este fenmeno no es muy raro (circuitos envaco con autoinduccin o transformadores,aparatos de corte con apertura lenta); lo mismose observa en el corte de corrientes de

cortocircuito cuando la corriente se hace al finalde la ruptura suficientemente pequea para serarrancada.

nnnnn Cortar una corriente de cortocircuito no puedehacerse sin riesgo de un cierto nivel desobretensiones:

o es necesario actuar muy deprisa, antes deque la corriente alcance la intensidad decortocircuito prevista,

o e intercalar en el circuito una tensin dearco no siempre fcil de dominar segn lascondiciones del corte, porque esta tensin dearco puede constituir una sobretensin quealcanza varios centenares de voltios para losinterruptores automticos y varios kV en el casode fusibles (figura 18 ).Sobre este ltimo punto hay que destacar que:

o cuanto ms cerca de los bornes de salida delaparato de corte se produzca el cortocircuito,tanto mayor y ms corta ser la sobretensin.As los resultados que se presentan en lafigura 19 se han realizado para un defecto enun cable de 1,5 mm2 de seccin aguas abajo deun fusible de 10 A:

con L = 0

1700 220 2U U6,4

U 220 2 y T = 50 s

con L = 20 m

U U2

U y T = 200 s

o normalmente cuanto mayor es el calibre de laproteccin de salida (y por tanto mayor laseccin de sus conductores) respecto a lapotencia de cortocircuito del juego de barrasmenor es la sobretensin y de mayor duracin.La figura 20 presenta una sntesis grfica devarios ensayos.

e

BA

N

K L2

C1 C2

L1, C1 = inductancia y capacidad red aguas arribaL2, C2 = inductancia y capacidad red aguas abajo

L1

Fig. 17: Esquema equivalente de un circuitomonofsico.

Fig. 18: Sobretensiones obtenidas en dos dispositivosde proteccin probados con el mismo circuito deensayo.

Interruptor FusibleautomticoC32L GL 20 A

Icc presunta (kA) 11 4

Cos 0,25 0,3U (V) 380 + 10% 380 + 10%

Sobretensin (V) 400 a 650 2100 a 2650U + U


Fusible

L

10

V

ms

U/2

UT

tU

10 A

35 A

400 A

0,03 0,1 0,3 1 3 ms1

2

3

5

10

Fusible

t

Fig. 19: La sobretensin es funcin de la distancia que separa el defecto de la proteccin.

Fig. 20: Con una misma potencia de cortocircuito aguas arriba, los valores y duracin de las sobretensiones en unaderivacin de salida son funcin del calibre de su proteccin y de la seccin de los conductores.

FerrorresonanciaEs un fenmeno detectado en las redes nocargadas que se ha observado sobre todo en ATpero que puede tambin manifestarse detrs depequeos transformadores o en los filtros.

El lector interesado en el tema puede consultarel Anexo 3 y leer el Cuaderno Tcnico n 190.

Ensayos y remedios relativos a lassobretensiones

Los impulsos de las sobretensiones transmitidospor conduccin, por efecto inductivo ocapacitativo, son muy peligrosos, especialmente

para los aparatos electrnicos. La experienciaen este campo ha permitido definir ensayosnormalizados.

nnnnn Las ondas normalizadas para probar losmateriales

La mayor parte de las veces estn recogidas(figura 21 ) en las publicaciones CEI 61000 yespecialmente en la 61000-4-4, 61000-4-5 y61000-4-12 (anexo 3).

Para otras formas de onda, las normas prevn,para los fabricantes del material, valores quecorresponden a condiciones de utilizacin y atensiones de ensayo. A ttulo de ejemplo la

U U

U


Origen Tipo de onda Onda de prueba

n maniobra Onda larga amortiguada: a0,25 / 2,5 ms

Onda oscilatoria amortiguada recurrente: b100 kHz < f < 1 Mhz

n rayo Onda de impulso de tensin recurrente: c1,2 / 50 s

Onda de corriente: d8 / 20 s

n aparamenta BT Onda: e(por ejemplo: 5 / 50 nsfusin de fusible)

50 %

2,50,25t

ms

v

v

t

10

U

0,1 U

0,5 ms

0,9 U

v

t

s501,2

50 %

i

t

s208

50 %

t

ns

v

50 %

505

Fig. 21: Principales formas de onda de ensayo normalizadas.


figura 22 da para los diferentes valores lastensiones para los ensayos con onda de impulsode tensin (curva d de la figura 21 ).

nnnnn Los remedios contra las sobretensiones

Se aplican tanto para la instalacin como para laeleccin de los aparatos:

o en cuanto a la instalacin, se aconsejaprestar especial atencin, por una parte, aseparar las fuentes de sobretensiones de losmateriales ms sensibles, y por otra, a laequipotencialidad de los equipos,

o en cuanto a la eleccin del material, puedeser til prever:

blindajes electrostticos o condensadores(anexo 3),

transformadores apantallados,

filtros,

limitadores de sobretensin (figura 23 ).Hay tambin limitadores de sobretensin BTdestinados a instalaciones que tienen unesquema de conexin a tierra IT (con neutroaislado de tierra), destinados a evitar cualquierelevacin de tensin debida a un defecto MT. ElCuaderno Tcnico n 179 trata de su instalacin.

Fig. 22: Las tensiones de ensayo segn la norma CEI61000-4-5.

Fig. 23: Caractersticas de los diferentes tipos delimitadores de sobretensiones.

Nivel Tensin de ensayo 1% (kV)

1 0,5

2 1

3 2

4 4

x especial

El nivel x es abierto: se define en funcin de lasespecificaciones particulares de los materiales.

U limitada (kV) I mxima (kA)(onda 8/20)

Varistancias 14 a 1200 10 a 5000

Diodos 5 a 400 10 a 1000rectificadores


3 Las perturbaciones de la onda senoidal

Slo los aparatos de bajo precio, generalmentede pequea potencia, generan armnicos(figura 24 ).

Cuando estn calculados muy ajustados,comienzan a saturarse en cuanto la tensinexcede del valor nominal y entonces absorbencorrientes no senoidales (figura 25 ).

Los condensadoresCuanto mayor es la frecuencia de las corrientesarmnicas, tanto mejor la absorben loscondensadores. La corriente absorbida por loscondensadores es pues una reproduccin de latensin de la red en la que estn colocados.Asociados a una inductancia forman filtroslimpiadores la red y absorben entonces unacorriente no senoidal (Cuaderno Tcnicon 152).

Los tubos fluorescentesLos arcos elctricos absorben corrientes nosenoidales especialmente cargadas dearmnicos. El esquema do y lacompensacin no consiguen evitar que los tubosfluorescentes produzcan armnicos.

Los rectificadores con mando de fase

En la gran mayora de casos alimentan uncircuito inductivo y absorben sucesivamentesobre cada fase una corriente rectangular. Encada conmutacin de los semiconductores, la

3.1 Los generadores

3.2 Los transformadores

3.3 Los receptores

Las tensiones (ondas) observadas en las redes,permanentes o temporales, no son nuncaperfectamente sinusoidales, porque:

n los generadores (alternadores) son ms omenos perfectos,

Alternador(con seal dezumbido)

Conmutador(onduladorsin filtro)

Ue

e

U

n los transformadores tampoco son perfectos,

n los receptores generan o absorbenarmnicos,

n las redes se utilizan como soporte dedeterminadas seales (corrientes portadoras).

Fig. 24: Ejemplo de onda de tensin entregada porgeneradores baratos.

Fig. 25: Onda de corriente en vaco, absorbida por untransformador calculado excesivamente justo.

Fig. 26: Ondas de tensin y de corriente deformadaspor un rectificador de mando de fase.


senoide de la tensin de alimentacin quedaafectada por una breve interrupcin (cebadoandico); la figura 26 representa las ondas detensin y corriente.

En cuanto a los reguladores de temperatura concontrol de fase, cada cebado de los tiristoresprovoca un pico de tensin de alimentacindebido a su componente autoinductiva, seguidode una pequea cada de tensin que dependede la resistencia interna de la alimentacin(figura 27 ).

U

Actualmente se utilizan mucho(microordenadores, tv, electrodomsticos, ...).Estas alimentaciones tienen en el circuito de

Fig. 27: Ondas de tensin y de corriente deformadaspor un regulador para hornos.

3.4 Las alimentaciones conmutadas (switching)

Son autnticos generadores de perturbacionesen las redes:

n los hornos de arco producen un verdaderoruido elctrico que contiene todas lasfrecuencias, con una amplitud que decrece conla frecuencia,

3.5 Los hornos industriales

entrada un puente de diodos seguido por uncondensador de filtro que genera corrientesarmnicas importantes.

n los hornos de induccin AF son generadoresde parsitos de banda estrecha, centrada sobrealgunas decenas de kHz.

Se trata de seales adicionales voluntariamenteinyectadas en la red por el distribuidor deenerga elctrica, por ejemplo para el telemandodel cambio de tarifa da/noche (en el sistemaPulsadix, 175 Hz).

Esta seal se puede or en la radio del cochecuando se pasa por debajo de una lnea AT.

Su frecuencia vara segn los pases:

110 - 175 - 183 - 217 - 283317 - 600 - 1050 y 1350 Hz.

3.6 Las corrientes portadoras

Las seales estn constituidas por trenes deimpulsos de la frecuencia elegida, inyectadassegn un determinado cdigo. Su tensin es delorden de 10 V.

Hay otras seales que pueden afectar a la redde los abonados BT:

n comunicaciones digitales, como las utilizadasen la Gestin Tcnica de los Edificios,

n emisiones de los interfonos (algunas decenasde kHz),

n rdenes de telemando (50 a 150 kHz).


Toda seal peridica, cualquiera que sea suforma de onda, puede considerarse como lasuma de seales alternas de frecuencias igualesa la de la seal fundamental y los mltiplos deesta seal, los armnicos.

Los armnicos y las frecuencias particularesinyectadas en la red producen efectos nefastos,incluso peligrosos. As, los armnicos:

n aumentan las prdidas en el hierro y lascorrientes de Foucault en los motores y lostransformadores,

n Son un peligro para la vida de las bateras decondensadores, cuyas protecciones de largoretardo deben de tener en cuenta las corrientesarmnicas,

n ponen tambin en peligro la vida de loscondensadores de filtro de las alimentacionesde los circuitos electrnicos,

n pueden provocar el calentamiento delconductor de neutro (las corrientes del armnico3 y sus mltiplos generadas por las fuentesconmutadas y los tubos fluorescentes se sumany retornan a la fuente a travs del neutro).

Para evitar todos estos riesgos las proteccioneselectrnicas de corriente mxima de largoretardo o de sobrecarga (equivalentes a losrels electromecnicos llamados trmicos)deben tener un circuito que mida el verdaderovalor eficaz de la corriente (rms).

La norma EN 50160 indica, para las redespblicas de distribucin, que ... durante cadaperodo de una semana, el 95% de los valoreseficaces de cada tensin armnica media de 10minutos, no debe sobrepasar los valoresindicados en la tabla de la figura 28 .Tensiones mayores para un armnicodeterminado pueden deberse a resonancias.

Por otra parte, la tasa global de distorsinarmnica de la tensin entregada (incluidostodos los armnicos hasta el rango 40) no debesobrepasar el 8%.

Para disminuir las corrientes de las tensionesarmnicas se pueden utilizar filtros pasivos ocompensadores activos (Cuaderno Tcnicon 183).

3.7 Los efectos de las perturbaciones

Armnicos impares Armnicos pares

Mltiplos de 3 No mltiplos de 3

Rango Tensin Rango Tensin Rango Tensinrelativa (% Un) relativa (% Un) relativa (% Un)

3 5 5 6 2 2

9 1.5 7 5 4 1

15 0.5 11 3.5 6 a 24 0.5

21 0.5 13 3

17 2

19 1.5

23 1.5

Fig. 28: Valores de las tensiones armnicas en el punto de conexin (fuente: EN 50 160).


4 Perturbaciones particulares de los sistemas polifsicos

Las redes elctricas son generalmentetrifsicas, y alimentan receptores trifsicos, perotambin muchos receptores monofsicos. Lascorrientes absorbidas en las tres fases son deamplitud diferente y se observan desequilibriosde tensin.

Estos desequilibrios de tensin generancomponentes inversas de la corriente(figura 29 ) que hacen aparecer sobre todopares de frenado parsitos y calentamiento enlos motores de corriente alterna.

A nivel europeo, la norma EN 50160 precisaque: en condiciones normales de explotacinpara cada periodo de una semana el 95% de losvalores eficaces calculados en 10 minutos de lacomponente inversa de la tensin dealimentacin debe de situarse entre el 0 y el 2%de la componente directa.

En ciertas regiones estos desequilibriospueden alcanzar el 3%.

4.1 Los desequilibrios de corriente y de tensin

En Francia, EDF estima que en las redes BT, en

casa del abonado, la tasa de desequilibrio ViVd

es esencialmente variable dentro de un valormedio comprendido entre el 0,5 y el 2%.

Las tasas ms elevadas se observan en lasredes BT alimentadas por un transformador dereducida potencia, con una mayora dederivaciones monofsicas. Es el caso de loscentros de transformacin sobre poste quealimentan, en monofsico, unos pocosabonados BT.

En los casos difciles, la conexin de lasbobinas en zig-zag permite atenuar eldesequilibrio de la red aguas arriba.

Fig. 29: Componentes directa, inversa y homopolar en un sistema trifsico.

V3 Vd3 Vi2

Vi3 Vi1Vd2 Vd1V2 V1

= + +Vh

Componente directa Componente inversa Componente homopolar

t

t

3Vd = [V1 + aV2 + a2V3] 3Vi = [V1 + aV2 + aV3] 3Vh = [Vi + V2 + V3]


Adems de los efectos de las componentesinversas en los motores, el desequilibrio detensiones trifsicas afecta al funcionamiento delos dispositivos con tiristores de conmutacin defase (figura 30 ).

Tambin los armnicos, que modifican el pasopor cero de las tensiones, pueden perturbar lasincronizacin del encendido de los tiristores.

4.2 Los desequilibrios de fases

t

(+)

Ve

(-)

Vs

V+/-

En el campo de las protecciones contra riesgoselctricos, este tipo de perturbaciones estambin perjudicial porque los desequilibrios decorriente limitan la utilizacin del montajeNicholson (conexin comn de 4transformadores de corriente) para detectarcorrientes residuales debidas a fallos deaislamiento (Cuaderno Tcnico n 114).

Fig. 30: Efecto de un desequilibrio de tensin en un rectificador de puente de Graetz semicontrolado.


5 Perturbaciones electromagnticas

Las perturbaciones de las redes BT vistasanteriormente son esencialmente del tipo deconduccin, es decir, transmitidas por losconductores, los transformadores, lascapacidades parsitas...

El tcnico electricista sabe que un equipo situadoen las proximidades de un conductor quetransporte una gran corriente de 50 Hz, va arecibir, por acoplamiento inductivo, una fuerzaelectromotriz parsita; esto en realidad le sucedea cualquier circuito colocado dentro de un campomagntico (figura 31 ). Sabe tambin que unequipo situado en las proximidades de una redAT va a recibir una tensin parsita; esto enrealidad le sucede a cualquier conductor colo-cado dentro de un campo elctrico (figura 32 ).Se dice que una intensidad de corrienteimportante radia un campo magntico de bajaimpedancia, y que una tensin importanteradia un campo elctrico de alta impedancia.

En efecto, la impedancia de un campo seexpresa por la razn:

EZc

H

De hecho, todo campo electromagntico estcaracterizado por la presencia simultnea decampos, elctrico y magntico, ligados por elllamado vector de Poingting:

2P W / m E V / m H A / m

La impedancia Zc es funcin de la distancia y dela frecuencia (figura 33 ).

Si para los 50 Hz se puede hablar de campos Eo H, en alta y baja impedancia, es porque:

C1000 km

2 2 f

Alrededor de un conductor recorrido por unacorriente importante el campo magntico Hdecrece segn la expresin 1/r (r = radio) hasta / 2.Alrededor de una antena (alta impedancia) es elcampo E el que decrece en funcin de ladistancia segn la expresin 1/r3.

Cuando la distancia excede de /2, los doscampos, E y H, disminuyen segn la expresin1/r y la impedancia es constante, siendo, en el

5.1 Campos y radiaciones

D

d

Ve = E.d (Volt)

E =DV (V/m)

Log (r) o (d)/2

Onda plana Zc = Zo

Campo elctrico

Campo magntico

Log Zc

Fig. 33: Ejemplo de impedancia de onda de un dipolo.

00

0Z 377

e

r

H

(S)

Fig. 32: Ejemplo de campo elctrico.

Fig. 31: Tensin inducida por una intensidad.

I

(s) (s)

H A / m2 f

.H.n.ds (Weber)

de (Volt)

dt


aire, igual a 377 . Cuando la frecuencia deemisin de la seal parsita es, por ejemplo, ladebida a la fusin de un fusible, el frente desubida de la onda es de 5 ns y la frecuenciaequivalente de 108 Hz.

La distancia de transicin esC

5 cm2 2 f

; ms all de este valor los

campos E y H decrecen con 1/r; se dice que seest en onda plana.

Existe una gran diversidad de fuentes deperturbaciones radiantes, que se agrupan,generalmente, en dos grandes familias:

n de espectro estrecho: emisiones de radio,radares, hornos de induccin, microondas, ...

n de espectro ancho: rayo, descarga electros-ttica, aparatos de corte, motores con colectorde delgas, soldadores, hornos de arco, ...

Hay que indicar que algunas fuentes, tales comolos conmutadores estticos o el rayo, songeneradores de parsitos, conducidos yradiados. Son los circuitos electrnicos lasprincipales vctimas de las perturbacioneselectromagnticas, por el hecho de que tratanseales de tensin muy bajas y que tienen granimpedancia (consumen cada vez menos). Losparsitos llegan a la vctima sobre todo atravs del cableado que entra y sale de la caja(acoplamientos: en modo comn, modo

diferencial, impedancia comn, diafona). Porotra parte las pistas de los circuitos impresos ylos componentes pueden y deben estarcalculados para conseguir una susceptibilidadelectromagntica mnima.

Los circuitos ms sensibles son:

n los amplificadores BF (paso bajo),

n los circuitos de entrada (integradores),

n los circuitos lgicos (digitales).

Adems, el desarrollo de las comunicacionesdigitales es la causa de nuevas dificultadesporque los buses crean, con la red elctrica,bucles sensibles a los campos magnticosdesarrollados por las grandes corrienteselctricas de los sistemas de potencia y lascadas de rayo prximas. Por tanto hay quetomar precauciones tanto en el diseo como enla realizacin de las instalaciones (CuadernoTcnico n 187).

En el campo de la BT, los ensayos de inmunidadcontra campos radiados estn definidos en lanorma CEI 61000-4-3 y secciones siguientes;as los rels de los interruptores automticosCompact de la marca Merlin Gerin se hanprobado siguiendo el grado de mximaexigencia de la norma CEI 947-2 que hace a suvez referencia a las normas CEI 61000.

Por ltimo, para conocer mejor la compatibilidadelectromagntica -CEM-, el lector puedeconsultar el Cuaderno Tcnico n 149.


Este tipo de perturbacin afecta y/o destruye losaparatos electrnicos, pero no afecta a lasredes elctricas.

En efecto, la electrnica es especialmentesensible a estas descargas electrostticasporque utiliza cada vez ms componentes demuy bajo nivel de bajo consumo y altaimpedancia. Y estos aparatos tienen siemprealguna parte que puede tocarse como porejemplo los visores o displays, lospotencimetros, etc. Ahora bien, una persona,segn el tipo de calzado que lleve y el suelo

sobre el que se desplace as como el grado dehumedad del aire puede cargarse a unpotencial que puede alcanzar los 15 kV(fenmeno modelizado y representado en lafigura 34 ), en el caso de corrientes de descargapueden alcanzar decenas de amperios(figura 35 )!

Por tanto, ha pasado a ser imprescindibleinmunizar y probar los aparatos electrnicoscontra estos esfuerzos, lo que se trata en lanorma CEI 61000-4-2.

90

50

T

tm t

10

%

2

2

150 pF

150

5.2 Descargas electrostticas

Fig. 34: Modelizacin de un circuito de cargaelectrosttica de una persona.

Fig. 35: Corriente de descarga electrosttica(tm = 5 ns; T = 30 ms).

Con U = 15 kV, lo que correspondea la clase 4 de la norma CEI 801-2,I = 70 A en caso de descarga


Las redes BT estn muy sucias, porquesufren mltiples agresiones de origen diverso:externas (fuentes, redes MT, ...), de explotacin(eliminacin de defectos, rdenes de mandomediante portadoras, ...), de utilizacin (hornos,receptores electrnicos, ...).

Al mismo tiempo, son cada vez mayores lasexigencias de calidad del productoelectricidad, as como de la seguridad defuncionamiento de los equipos elctricos yelectrnicos tanto para la produccin como parala gestin y el comercio.

n A los usuarios, sensibilizados a los fallos defuncionamiento y a las prdidas de explotacin,les interesa controlar la energa que se lessuministra. Cada vez efectan ms medidas delas magnitudes clsicas (tensin, intensidad,potencia, cos ). Y adems registran lassobretensiones, las bajadas y ausencias detensin, ... Tienen tambin inters en conocerpor ejemplo:

o la tasa global de armnicos,

o el valor de los armnicos,

o el factor de pico,

o el porcentaje de desequilibrio de tensiones.

n Los distribuidores de energa, por su parte, seven obligados a garantizar un cierto nivel decalidad del producto electricidad quesuministran (anexo 3: norma EN 50160).

n Los fabricantes de aparamenta, elctrica yelectrnica, tienen la obligacin de respetar ladirectiva europea relativa a la CEM desde eldiseo de sus productos, que ellos ensayansiguiendo las prescripciones de las normas,

6 Conclusin

como por ejemplo la CEI 61000 (anexo 3). Peroadems proponen nuevos productos pararesponder a las necesidades de los usuariospara conseguir la calidad de la energa y lafiabilidad de la distribucin, por ejemplo:

o unidades de control instaladas en losinterruptores automticos que permiten todo tipode medidas (I, f, P, cos , ...),o unidades de control para cuadroscentralizados que actualmente permiten conocerlas potencias y energas activas y aparentesinstantneas, mximas y medias en un intervalode tiempo determinado; pueden tambin medirlas tasas de armnicos, factor de pico,desequilibrios de fases (de tensin y corriente).

n Por ltimo, los instaladores electricistasprofesionales, dentro de su campo (desde eldiseo de la instalacin hasta el cableado),deben preguntarse sobre las diversasperturbaciones probables para encontrar lasolucin ms adecuada. Por ejemplo, losdiseadores de las instalaciones deben preverlas fuentes de emergencia, los sistemas dealimentacin ininterrumpida (SAI), los pararrayos(limitadores de sobretensiones), los filtros o loscompensadores activos de armnicos.

En este sentido, para todas las personasinteresadas en la calidad y la disponibilidad de laenerga elctrica a lo largo de todo el sistema dedistribucin este Cuaderno Tcnico, en cuantoque explica las diversas perturbaciones quepueden afectar a la red y a los equiposelctricos es una primera herramienta que debepermitirles conocerlas mejor y combatirlas mseficazmente.


Anexo 1 Transmisin de sobretensiones a travsde los transformadores

Transferencia magnticaEn un transformador MT/BT, en vaco o pococargado, las sobretensiones de rayo o demaniobra se transmiten al secundario en funcinde la relacin de transformacin, afectada porun coeficiente corrector.

Este coeficiente es, en general, inferior a 1,3para la onda de rayo 1,2 / 50 s, y casi nuncasobrepasa 1,8 para las sobretensiones demaniobra, segn la onda 250/2500 s,especificada en la CEI 60060-2.

Por ejemplo:

En el caso de un transformador 20/0,410 kV,Dyn 11, su relacin de transformacin vale:

2000048,8

410.

n una onda 1,2/50 s de 125 kV aplicada en elarrollamiento primario da en el secundario unaonda de forma parecida de amplitud:

cresta1

125kV x x 1,3 3,3kV48,8 .

n una onda 250/2500 s de 90 kV da:

cresta1

90kV x x 1,8 3,3kV48,8 .

Transferencia capacitativaDepende de la disposicin de los devanadosprimario y secundario respecto a la masa deltransformador.

Generalmente para cada columna eldevanado BT est prximo al ncleo y el MT,dispuesto alrededor del devanado BT, quedarelativamente alejado (figura 36 ).La sobretensin transmitida al secundario, atravs de las diferentes capacidades parsitasdel transformador (figura 37 ), se calculamediante la frmula:

BT / masa

AT / masa BT / masa

CUs Ue

C C.

En el peor de los casos, segn la CEI 60071-2,puede alcanzar 0,7 Ue. En realidad, elcoeficiente de transmisin es del orden de 0,3

para un transformador MT/BT sin ningunaconexin en el secundario. La presencia decapacidades entre los conductores activos y lamasa en el cuadro general BT disminuyeconsiderablemente estas sobretensiones.

Recordemos que, para evitar las perforacionesen la parte BT de los centros de transformacinalimentados por lneas areas, la aparamentacorrespondiente debe tener el aislamientoreforzado (10 kV/50 Hz), y que es muyaconsejable instalar limitadores desobretensiones en el Cuadro General de BT.Adems, si este cuadro tiene elementos demando y control su alimentacin debe dehacerse interponiendo transformadores BT/BTapantallados.

Ue

CHT

CBTUs

Fig. 37: Esquema de transferencia capacitativa desobretensiones en el interior de un transformadorMT/BT.

AT BT

Fig. 36: Posicin de los arrollamientos en la columnade un transformador MT/BT.


Anexo 2 La ferrorresonacia

En teoraEl fenmeno de resonancia serie (y paralelo) esmuy conocido.

Cuando 1

LC , las tensiones desarrolladas

por L y C son idnticas, opuestas y de valorabsoluto mucho mayor que la tensin e (figura38).El fenmeno de la ferrorresonancia serie (yparalelo) es un caso particular que aparececuando la autoinduccin es de hierro saturable.

Si trazamos las curvas de variacin de losvalores absolutos de las diversas tensiones parauna frecuencia dada en funcin de la corriente(figura 39 ), se observa en las grficas queexisten dos puntos de funcionamiento establesA y B. Para pasar de A a B es suficiente unsimple transitorio, un parsito, que aumentetemporalmente el valor de e y se sobrepasa latensin lmite del punto E.

En la prcticaSi las tensiones generadas en L y C son muyelevadas, se corre el riesgo de perforacionesdielctricas y un receptor de poca potenciacolocado en paralelo con C tiene muchasprobabilidades de ser destruido.

Hay que indicar que, al cortarse las curvas i

C

y Li, aparece el riesgo de ferrorresonancia,porque:

n la ferrorresonancia puede producirse en unamplio margen de frecuencias, entre las queestn los 50 Hz y sus armnicos; en este caso,por ejemplo, la onda de tensin de 50 Hz estsobremodulada por una tensin importante150 Hz, por ejemplo,

n para tener la certeza de evitarlo, es necesario

que 1

C sea superior a L0 (L0 = L con

pequea induccin) o que el circuito estsiempre cargado (amortiguado).

e C

L

e i/JC

i/JC

Sobretensin0

L i

E

A

Be

i

U

- L iiC

iC

Fig. 38: Un circuito resonante.

Fig. 39: Principio terico de la ferrorresonancia.

En conclusinEl diseador del material BT debe tener encuenta el riesgo de ferrorresonancia, que, en lasredes en vaco, puede manifestarse debido a:

n el nivel de aislamiento dielctrico fase/masade la aparamenta ( 8 a 10 Un),n la tensin de alimentacin de los receptoresde muy poca potencia (las proteccioneselectrnicas con su propia tensin dealimentacin, por ejemplo).


Anexo 3 Bibliografa

Normasn EN 50160: Caractersticas de la tensinsuministrada por las redes pblicas dedistribucin. Esta norma especifica en MT y enBT:

o frecuencia,

o amplitud de la tensin suministrada,

o variacin de la tensin suministrada,

o variacin rpida de la tensin,

o bajadas de la tensin,

o cortes breves de la tensin suministrada,

o cortes largos de la tensin suministrada,

o sobretensiones temporales en la red entrefase y tierra,

o sobretensiones transitorias entre fase y tierra,

o desequilibrio de la tensin suministrada,

o tensiones armnicas,

o tensiones interarmnicas,

o transmisin de seales de informacin atravs de la red.

n CEI 60038 : Tensiones normales de la CEI.

n CEI 60060-2 : Tcnicas de ensayos AT -Parte 2: sistemas de medida.

n CEI 60071 -2: Coordinacin del aislamiento -Parte 2: Gua de aplicacin.

n CEI 60364: Instalacin elctrica de edificios.

n CEI 60664: Coordinacin del aislamiento delos materiales en los sistemas (redes) BT.

n CEI 61000: Compatibilidad electromagntica(CEM). Se indica a continuacin una seleccinde sus partes ms importantes para una primeraaproximacin:

o 1.1: Definiciones y trminos fundamentales.

o 2: Entorno:

Entorno electromagntico para lasperturbaciones conducidas de baja frecuencia yla transmisin de seales sobre las redespblicas de alimentacin.

Niveles de compatibilidad para lasperturbaciones conducidas de baja frecuencia yla transmisin de seales sobre las redespblicas de alimentacin de baja tensin.

Fenmenos radiados y fenmenos conducidosa frecuencias diferentes de las de la red.

Campos magnticos de baja frecuencia enentornos diversos.

o 3: Lmites:

Lmites para las emisiones de corrientesarmnicas (aparatos 16 A por fase). Limitacin de las fluctuaciones de tensin yparpadeo en las redes BT para equipos quetengan una corriente solicitada 16 A). Transmisin de seales en las instalacioneselctricas BT.

o 4: Tcnicas de ensayo y de medida:

Ensayos de inmunidad a las descargaselectrostticas.

Ensayos de inmunidad a los camposelectromagnticos radiados a frecuenciasradioelctricas.

Ensayos de inmunidad a los transitorioselctricos rpidos en rfaga.

Ensayos de inmunidad a las ondas dechoque.

Gua general relativa a las medidas dearmnicos y de interarmnicos.

Ensayo de inmunidad al campo magntico ala frecuencia de red. Publicacionesfundamentales en cuanto a la CEM.

Ensayo de inmunidad al campo magnticoimpulsional.

Ensayos de inmunidad a los ondasoscilatorias.

Ensayo de inmunidad a las bajadas detensin cortes breves y variaciones de tensin.

Ensayos de inmunidad a las perturbacionesconducidas en modo comn en el margen defrecuencias de 0 Hz a 150 kHz.

Nota:El lector especialmente interesado por losdocumentos normativos puede consultar lossiguientes direcciones de internet:

n Para la CEI: http://www.iec.com,

n Para la UTE: http://www.ute-fr.com.


Cuadernos Tcnicos Schneider Electric

n Los dispositivos diferenciales residuales.R. CALVAS.Cuaderno Tcnico n 114.

n La compatibilidad electromagntica.F. VAILLANT.Cuaderno Tcnico n 149.

n Los armnicos en las redes perturbadas y sutratamiento. C. COLLOMBET, J-M LUPIN, J.SCHONEK.Cuaderno Tcnico n 152.

n Conmutacin automtica de alimentacionesen las redes AT y BT. G. THOMASSET.Cuaderno Tcnico n 161.

n El rayo y las instalaciones elctricas AT.B. DE METZ-NOBLAT.Cuaderno Tcnico n 168.

n Los esquemas de conexin a tierra BT(regmenes de neutro).B. LACROIX, R. CALVAS.Cuaderno Tcnico n 172.

n Parpadeo o el encendido de las fuentesluminosas. R. WIERDA.Cuaderno Tcnico n 176.

n Perturbaciones en los sistemas electrnicos yesquemas de conexin a tierra. R. CALVAS.Cuaderno Tcnico n 177.

n Sobretensiones y limitadores desobretensiones -coordinacin del aislamiento-.Ch. SERAUDIE. Cuaderno Tcnico n 179.

n Coexistencia de corrientes fuertes y corrientesdbiles. R. CALVAS, J. DELABALLE.Cuaderno Tcnico n 187.

n La ferrorresonancia. P. FERRACCI.Cuaderno Tcnico n 190.

Obras diversasn Caractristique de la tension d'alimentationBT. Rapport UNIPEDE (Union lnternationale desProducteurs et Distributeurs dElectricit) 1981.

n Qualit de lalimentation lectrique.EDF, 09-90, Cahiers de I'ingnierie.

n La compatibilit lectromagntique.A. KOUYOUMDJIAN. lnstitut SchneiderFormation, 07-96.

Documents

Las Perturbaciones Electricas en Bt